ES2992129T3 - Procedimiento y sistema de caracterización ultrasónica de un medio - Google Patents

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Abstract

1. Procedimiento para la caracterización ultrasónica de un medio que comprende una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes, una etapa de generación de una matriz de reflexión experimental Rui(t) definida entre la base de emisión (i) en la entrada y una base de recepción (u) en la salida, una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocada RFoc(rin, rout, δt) del medio entre un transductor de entrada virtual (TVin) calculado a partir de una focalización de entrada de la matriz de reflexión experimental y un transductor de salida virtual (TVout) calculado a partir de una focalización de salida de la matriz de reflexión experimental, tomándose las respuestas del transductor de salida virtual (TVout) en un instante de tiempo desfasado por un retardo adicional δt con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor de entrada virtual (TVin). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y sistema de caracterización ultrasónica de un medio
Sector de la técnica
La presente descripción se refiere a procedimientos y sistemas de caracterización ultrasónica de un medio, y se aplica en concreto a la imagenología médica o al control no destructivo y, más generalmente, a todos los campos en los que se puede utilizar la imagenología ultrasónica.
Estado de la técnica
En el campo de la imagenología acústica, se busca caracterizar un medio total o parcialmente desconocido sondeándolo activamente por medio de ondas ultrasónicas. Este es, en concreto, el principio del ecógrafo utilizado en la imagenología médica.
La resolución de un sistema de imagenología acústica se puede definir como la capacidad de discernir pequeños detalles de un objeto. En principio, un sistema de imagenología acústica está limitado por la difracción y la resolución teórica está dada por A / 2 (donde A es la longitud de onda del sonido en el medio), o por la apertura angular finita del detector. En la práctica, sin embargo, la resolución suele verse deteriorada por variaciones en la velocidad del sonido cuando el medio de propagación es heterogéneo.
En efecto, la mayor parte del tiempo en imagenología acústica, el medio se considera homogéneo, con una velocidad del sonidococonstante. Ahora bien, no siempre se cumple la hipótesis de un medio homogéneo. Por ejemplo, en el caso de la ecografía hepática, la sonda se coloca entre las costillas del paciente. Las ondas acústicas atraviesan una sucesión de capas de grasa y músculo antes de llegar al órgano objetivo. Los tejidos blandos poseen, cada uno, diferentes propiedades mecánicas. Por lo tanto, la velocidad del sonido dista mucho de ser homogénea, y puede variar por ejemplo entre 1450 para el tejido adiposo y 1600 para el hígado. Las variaciones en la velocidad del sonido hacen que las ondas se desplacen de manera diferente según los lugares a través de los que se propagan. Esto da como resultado una aberración del frente de onda acústica que conduce a una distorsión de la imagen ecográfica resultante, y por lo tanto a una degradación de su resolución y de su contraste. Estas aberraciones pueden ser tales que no permitan reconstruir una imagen fiable, comprometiendo los resultados, por ejemplo durante un examen médico.
Como se ilustra en lasfiguras 1A a 1C,los métodos de ecografía convencionales utilizan una red 10 de transductores piezoeléctricos 11 que pueden emitir y/o recibir pulsos ultrasónicos de manera independiente. Se identifica la posición de cada uno de los transductores mediante el vectoru.Cuando dicha red se coloca frente a un medio 20 que se busca estudiar, este se puede sonificar y obtenerse imágenes del mismo de diferentes maneras.
Una primera manera para generar una imagen ecográfica del medio a estudiar es emitir un pulso ultrasónico desde uno de los transductores de la red cuya posición está identificada por el vectoru<in>(figura 1A, esquema de la izquierda). Esto da lugar a una onda incidente cilíndrica (o esférica) divergente para un red 1D (o 2D) de transductores. Esta onda es reflejada por los dispersores 21 del medio 20 y el campo retrodispersado es registrado por cada uno de los transductores 11 en función del tiempo.(figura 1A, esquema de la derecha).Repitiendo esta operación con cada transductor utilizado sucesivamente como fuente, se miden todas las respuestas al pulso R(u<o u t>,u<in>, t) entre cada transductor, donde el vectoru<out>designa la posición del detector. Estas respuestas forman la matriz de reflexión.R<uu>(t) expresada en la base de los transductores. El interés de dicha medición radica en que esta matriz contiene toda la información sobre el medio estudiado, un conjunto de operaciones matriciales que a continuación se le pueden aplicar para obtener imágenes del medio, por ejemplo. Por otro lado, dicha adquisición supone que el medio permanece fijo durante toda la duración de las mediciones, lo que puede resultar muy difícil en el caso de uso in vivo. Además, la energía emitida por un solo elemento piezoeléctrico es baja, lo que puede provocar una mala relación señal-ruido.
Se conocen otros métodos para generar una imagen del medio a estudiar en las que se efectúan emisiones enfocadas mediante una técnica de formación de haces (o "beamforming" en inglés). Como se muestra mediante lafigura 1B, esquema de la izquierda,estos métodos consisten en aplicar a los transductores 11 un juego de retardos apropiados, basados en un modelo de velocidad homogéneo, para corregir los tiempos de recorrido de las ondas para que todos los pulsos lleguen juntos al punto focal objetivo, de posiciónr<in>.Se tomará nota de la hipótesis de la velocidad del sonido mantenida. c<o>. Debido a los límites físicos de la difracción, los ultrasonidos emitidos se concentran en una zona delimitada por la apertura de la sonda ecográfica. Para construir una imagen ecográfica, también se efectúa una etapa de enfoque en la recepción. El conjunto de los ecos captados por los elementos 11 de la red 10 son procesados, a continuación, para simular el efecto de una lente en recepción, como se describe en lafigura 1B, esquema de la derecha.Las señales recibidas por los transductores se vuelven a poner en fase desfasándolas temporalmente. Estos retrasos son idénticos a los aplicados a la emisión. En la fase de emisión, todas las señales interfieren en el punto de posiciónr<in>.En la recepción, las señales provenientes de este mismo puntor<ou t>=r<in>interfieren electrónicamente por suma de señales en tiempo balísticot= (||u<ou t>-r<in>+ I||u<in>-r<in>||)/c<0>. Esta suma da el resultado final del enfoque en la recepción. El método ilustrado en lafigura 1B,llamado método confocal con doble enfoque en emisión y en recepción permite obtener imágenes directamente de la reflectividad del medio con una resolución lateral limitada por la difracción, una excelente resolución axial sólo limitada por la duración del pulso inicial y un excelente contraste. Sin embargo, este método requiere mucho tiempo porque requiere enfocar físicamente la emisión en cada uno de los puntos del medio o al menos a una profundidad determinada, en cada una de las líneas de la imagen.
El artículo de W. LAMBERTET AL:"Reflection matrix approach for quantitative imaging of scattering media", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA. NY 14853, 4 de junio de 2020 describe que la formación de haces enfocados permite la síntesis, en emisión y recepción, de una red de transductores virtuales que cartografían el conjunto del medio del que se van a obtener imágenes. Las respuestas entre elementos de esta red virtual forman una matriz de reflexión enfocada a partir de la cual es posible obtener mapas espaciales de las diferentes características de la onda que se propaga.
Otra técnica de imagenología, desarrollada más recientemente, consiste en generar una imagen del medio insonificando el medio con una serie de ondas planas. Lafigura 1Cilustra el principio de esta ecografía llamada de ondas planas, descrito por ejemplo en el artículo de G. Montaldoet al."Cohérent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography" (IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect. Freq. Control 56489 506, 2009). Se aplican retardos a cada señal cuando en la emisión(figura 1C, esquema de la izquierda)para la formación de un frente de onda inclinado a un ánguloGncon respecto a la red de transductores 10. En la recepción(figura 1C, esquema de la derecha),el campo retrodispersado por el medio, R(u<o u t>, 0<in>, t) es medido por todos los sensores de posiciónu<out>para una serie de ondas planas incidentes cuyo ángulo de incidenciaGLnse hace variar. Todas estas respuestas forman una matriz de reflexiónR<ue>(t) definida entre la base espacial de Fourier (o base de onda plana) en la entrada y la base de los transductores en la salida. Una vez registrada esta matriz, las señales se desfasan temporalmente antes de sumarse de manera coherente para enfocar digitalmente los datos en la emisión y en la recepción para cada punto de posición.r<in>.De este modo, el número de adquisiciones necesarias para formar una imagen ecográfica se reduce ventajosamente con respecto a la ecografía estándar (emisiones enfocadas), y esto para el mismo nivel de contraste y de resolución de la imagen ecográfica.
Lafigura 2ilustra la influencia de las aberraciones del medio sobre los métodos convencionales imagenología ecográfica(figuras 1A a 1C).Estas aberraciones aparecen cuando la velocidad del sonido del medioc(r)no corresponde a la hipótesis de un medio homogéneo con una velocidad del sonido constante co. Los retardos determinados inicialmente a partir de esta hipótesis y que deben aplicarse a cada uno de los transductores de la red en la emisión y en la recepción no son entonces óptimos para la evaluación de una imagen del medio. En la figura 2, una capa aberradora 22 induce una distorsión del frente de onda incidente. En la emisión o la excitación, etapa 25, las leyes de retardo utilizadas no permiten concentrar la energía acústica en una zona delimitada por los límites de la difracción, zonas habitualmente llamadas de punto focal. En la recepción, en la etapa 26, las leyes de retardo utilizadas no permiten seleccionar correctamente las señales ultrasónicas provenientes del punto focal del medio, y mezclan las señales provenientes de un punto focal también aberrado. Esto da como resultado una doble aberración en el proceso de construcción de la imagen, lo que degrada enormemente su resolución. A continuación se pueden recalcular nuevas leyes de retardo para compensar el efecto de la capa aberradora añadiendo, por ejemplo, una ley de retardo adicional a los retardos generalmente utilizados en la formación de haces.
Sin embargo, estas correcciones de aberración no corrigen completamente ni estas aberraciones ni la degradación de resolución. Es necesario estimar mejor la calidad del enfoque en el medio.
El documento 'The van Cittert-Zernike theorem in pulse écho measurements ", (Raoul Mallart y Mathias Fink, J. Acoust. Soc. Am. 90(5), Noviembre de 1991) estudió las propiedades estadísticas del campo reflejado por un medio aleatorio en el régimen de dispersión simple. Se muestra notablemente que, para una onda incidente enfocada, la covarianza espacial del campo reflejado es proporcional, desde el campo lejano, a la transformada de Fourier de la función de apertura en transmisión. En otras palabras, este teorema explica que el estudio de las propiedades estadísticas del campo reflejado en el campo lejano permite determinar la calidad de enfoque de la onda incidente en el medio.
Sin embargo, este planteamiento sólo proporciona una estimación global y promedio de la resolución de una imagen ecográfica porque requiere promediar estadísticamente las correlaciones del campo reflejado en un gran número de realizaciones del desorden, es decir, en un gran número de puntos de enfoque de la onda incidente. No permite obtener una evaluación precisa y local de la calidad de enfoque en cada punto de la imagen. Además, este planteamiento sólo es válido en el régimen de dispersión simple.
Por lo tanto, es necesario proponer un método que supere cada uno de los inconvenientes mencionados anteriormente.
Objeto de la invención
La presente descripción tiene por objeto, según un primer aspecto, un procedimientosegún la reivindicación 1 decaracterización ultrasónica de un medio,para determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía de los dispersores en el medio, comprendiendo el procedimiento:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes (US<in>) en una zona de dicho medio, por medio de una red (10) de transductores (11), siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión (i); y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) definida entre la base de emisión(i)en la entrada y una base de recepción(u)en la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<out>, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada (TV<in>) de posición espacialr<¡n>y un transductor virtual de salida (TV<out>) de posición espacialr<out>, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida (TV<out>) en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada (TV<in>),
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para el transductor virtual de entrada (TV<in>) y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada en función de la velocidad del sonidocoen el medio, y siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir:
- de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<out>, ót) y
- de una relación de propagación balística del tipo
óí(Ar<out>) =-sign(Azout) ■|Ar<out>|/c<0>,
que permite extraer valores de la matriz de reflexión enfocada para construir la imagen del frente de onda, y en donde:
ót es el retraso adicional,
|Ar<out>| es el módulo del vector entre el transductor virtual de entrada (TV<in>) y el transductor virtual de salida (TV<out>), conAr<out>=r<out>-r<¡n>,
Az<out>es el componente a lo largo de un eje Z de profundidad del vector de posición espacial
Ar<out>. comprendiendo dicha imagen del frente de onda un punto focal,
- una etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal en la imagen del frente de onda mediante el procesamiento de imagen de dicha imagen del frente de onda, correspondiendo dicha dirección preferida a una dirección de mayor dimensión para dicho punto focal.
Gracias a estas disposiciones, el procedimiento permite, de manera ventajosa, sondear localmente el medio en cualquier punto y en cualquier dirección y con cualquier desfase temporal con respecto a un tiempo balístico de propagación de la onda ultrasónica en el medio.
Este procedimiento permite entonces determinar una imagen del frente de onda que representa la propagación hacia un punto de enfoque, y que permite estimar la calidad de enfoque. A continuación, es posible deducir de esta imagen del frente de onda información de dirección principal del punto focal, que es representativa de una dirección preferida o principal de anisotropía local del medio. Esta información es, por ejemplo, muy representativa de la inclinación local de las fibras musculares en el caso de la obtención de imágenes de un músculo de mamífero. Además, esta información de anisotropía también puede ser representativa de una lesión local.
En diversas realizaciones del procedimiento según la presente divulgación, se puede recurrir, opcionalmente, a una u otra de las siguientes disposiciones.
Según una variante, el procesamiento de imagen comprende una extracción del contorno del punto focal, por un umbral a un nivel inferior al valor máximo en la imagen del frente de onda, sirviendo dicho contorno para determinar la dirección preferida del punto focal.
Según una variante:
- se transforma la imagen del frente de onda U(r<¡n>, Ax<out>, Az<out>) de un sistema de referencia en coordenadas cartesianas a un sistema de referencia en coordenadas polares U(r<¡n>, As<out,>A0<out>),
- se suman los valores de dicha imagen del frente de onda del sistema de referencia en coordenadas polares, en una pluralidad de valores de diferencias de distancia radial As<out>para obtener una función de sensibilidad angular f(r<¡n>, A0<out>) para una pluralidad de valores angulares A0<out>,
- se determina el valor angular óptimo A0<máxout>(r<¡n>) correspondiente al máximo de la función de sensibilidad angular, correspondiendo dicho valor angular óptimo A0<máxout>(r<¡n>) a la dirección preferida del punto focal asociado con el transductor virtual de entrada (TV<in>).
Según una variante, la dirección preferida se corrige mediante un ángulo de visión del punto de posición espacialr<¡n>del transductor virtual de entrada (TVin), visto desde la red de transductores (10).
Según una variante, la dirección preferida se corrige mediante la fórmula:
y'out(rm)—2(A0jOáf (r<¡n>) - 0out(r<¡n>))
en donde:
(r<¡n>) es el valor de la dirección preferida,
<0 o u t>(r<¡n>) es la corrección del ángulo de visión,
<y>'<out>(r<m>) es el valor angular de anisotropía.
Según una variante, la corrección del ángulo de visión es:
con
0<out>(r<¡n>) = atan
en donde: u jut(r) son los valores máximo y mínimo de posiciones de transductores en la red.
Según una variante:
- el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar una dirección preferida con respecto a un transductor virtual de salida, y
- se combina la dirección preferida con referencia al transductor virtual de entrada y la dirección preferida con referencia al transductor virtual de salida para obtener una dirección preferida mejorada.
Según una variante:
- el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar un valor angular de anisotropía con respecto a un transductor virtual de salida. /<out>(r<o u t>), y
- se combina el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de entrada y<bu t>(r<¡n>) y el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de salida /<out>(r<ou t>) para obtener un valor angular de anisotropía mejorado.
Según una variante:
- entre la etapa de determinación de una imagen del frente de onda y la etapa de determinación de la dirección preferida del punto focal, se efectúa una etapa de mejora de la imagen del frente de onda en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a una zona de coherencia, siendo cada imagen del frente de onda tomada entre un transductor virtual de entrada (TV<in>) elegido de posición espacialr<¡n>diferente, y transductores de salida virtuales (TV<out>) de posición espacialr<out>tales quer<ou t>=Ar<ou t>+r<¡n>, conAr<out>siendo predefinidos e idénticos para todas las imágenes del frente de onda del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí, para obtener una imagen del frente de onda mejorada asociada con un transductor virtual de entrada de referencia (TV<i n f>siendo este transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>característico de los transductores virtuales de entrada de todas las imágenes del frente de onda utilizadas y asociadas con la zona de coherencia ZC, y
- en la etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal, se utiliza la imagen del frente de onda mejorada en lugar de la imagen del frente de onda, la dirección preferida del punto focal es relativa a la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>.
Según una variante, la combinación lineal está determinada por un cálculo de descomposición en valor singular (SVD) del conjunto de las imágenes del frente de onda para obtener un vector singular(W<i>) asociado con el valor singular de descomposición en valor singular de mayor valor absoluto, siendo entonces este vector singular (W<i>) la imagen del frente de onda mejorada correspondiente a dicho transductor virtual de entrada de referencia (TV<in,ref>) y para los mismos retrasos adicionales 5t.
Según una variante, en la etapa de determinación de la matriz de reflexión enfocada:
el cálculo de las respuestas del transductor virtual de entrada (TV<in>) corresponde a un proceso de enfoque en la entrada a partir de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) que utiliza un tiempo de vuelo de ida de las ondas entre la base de emisión y el transductor virtual de entrada (TV<in>) para crear un punto focal de entrada en la posición espacialr<¡n>,
el cálculo de las respuestas del transductor virtual de salida (TV<out>) corresponde a un proceso de enfoque en la salida a partir de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) que utiliza un tiempo de vuelo de vuelta de las ondas entre el transductor virtual de salida (TV<out>) y los transductores de la base de recepciónu,para crear un punto focal de salida en la posición espacialr<out>,
siendo el retraso adicional ót un retraso temporal añadido a los tiempos de vuelo de ida y vuelta durante los procesos de enfoque.
Según una variante, la matriz de reflexión enfocada se calcula mediante la siguiente fórmula:
RFoc(rin,
' in Uout
en donde
N<in>es el número de elementos de la base de emisión(i),
N<out>es el número de elementos de la base de recepción (u) en la salida,
R<ui>(t) es la matriz de reflexión experimental, de la queR<ui>(u<out>,i<in>,T(r<in>,r<out>,U<out>,i<in>,óf)) es el elemento de la matriz de reflexión experimentalR<ui>(t) registrado por el transductor de posición espacialu<out>tras la emisión del índicei<in>en la base de emisión y en el tiempo<t ,>
<t>es un tiempo que es la suma del tiempo de vuelo de ida T<in>de la onda ultrasónica entre los transductores de la base de emisión(i)y el transductor virtual de entrada (TV<in>) de posición espacialr<in>, y del tiempo de vuelo de vueltar<out>de la onda ultrasónica entre el transductor de salida (TV<out>) de posición espacialr<out>y los transductores de la base de recepción u, y del retraso adicional ót, como se explica mediante la siguiente fórmula:
<T>(r<in>, r<out>, u<out>, i<in>,<ó>t) =<Tin>(r<in,>i<in>)<Tout>(r<out>, u<out>)<Ó>t
La presente descripción se refiere a, según un segundo aspecto, un sistemasegún la reivindicación 13, de caracterización ultrasónica de un medio para determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía de los dispersores en el medio, y configurado para la implementación de procedimientos de caracterización ultrasónica como se han descrito anteriormente. El sistema de caracterización ultrasónica según el segundo aspecto comprende:
- una red de transductores adaptados para generar una serie de ondas ultrasónicas incidentes en una zona del medio, y para registrar, en función del tiempo, las ondas ultrasónicas retrodispersadas por dicha zona; y - una unidad de cálculo asociada a la red de transductores y adaptada para implementar el procedimiento según el primer aspecto.
Descripción de las figuras
Otras ventajas y características de la técnica presentada anteriormente aparecerán al leer la descripción detallada a continuación, presentada de manera no limitativa con fines de ilustración, realizada con referencia a las figuras, en donde:
Lasfiguras 1A a 1C(ya descritas) ilustran mecanismos de emisión/recepción conocidos para la imagenología y la cuantificación ultrasónica;
Lafigura 2(ya descrita) ilustra el impacto de las aberraciones en la imagenología ultrasónica, según la técnica anterior;
Lafigura 3ilustra un ejemplo de un sistema de caracterización ultrasónica para la implementación de procedimientos de caracterización ultrasónica según la presente descripción;
Lafigura 4ilustra las definiciones utilizadas en el procedimiento de caracterización ultrasónica según la presente descripción;
Lafigura 5muestra una imagen ecográfica en donde se selecciona una posición asociada con un elemento ecógeno y se determinan imágenes de propagación alrededor de esta posición para varios retrasos adicionales; Lafigura 6muestra una imagen ecográfica en donde se selecciona una posición asociada con un conjunto de dispersores con resolución insuficiente y de reflectividad comparable y se determinan imágenes de propagación alrededor de esta posición para varios retrasos adicionales;
Lafigura 7muestra una imagen ecográfica en donde se seleccionan un conjunto de posiciones asociadas con dispersores con resolución insuficiente y de reflectividad comparable y se determinan imágenes de propagación de onda coherente resultantes de una combinación de las imágenes de propagación asociadas con cada posición seleccionada para varios retardos adicionales;
Lafigura 8Amuestra curvas de variaciones temporales de la intensidad del punto central de una imagen de propagación asociada con una posición correspondiente a dispersores con resolución insuficiente y de reflectividad comparable y de la imagen de propagación de onda coherente;
Lafigura 8Bmuestra espectros de frecuencia de las curvas de la figura 8A;
Lafigura 9Amuestra la amplitud de imagen del frente de onda asociado con la misma posición que la de la figura 5;
Lafigura 9Bmuestra la parte real de la misma imagen del frente de onda que la utilizada en la figura 9A;
Lafigura 10muestra la amplitud de varias imágenes del frente de onda asociadas con la misma posición que la seleccionada para la figura 5 y obtenida para 3 velocidades del sonido supuestas, y curvas de intensidad en el eje de ordenadas Az de estas imágenes del frente de onda;
Lafigura 11muestra imágenes ecográficas e imágenes de velocidad del sonido integradas correspondientes; Lafigura 12muestra imágenes ecográficas obtenidas sin corrección de aberración (imagen A), con una corrección de aberración lateral habitual (imagen B) y con una corrección de aberración axial utilizando mediciones en imágenes del frente de onda según la presente divulgación;
Lafigura 13muestra una imagen ecográfica (A) que incluye varias zonas con fibras musculares inclinadas según diversas direcciones, e imágenes del frente de onda (B, C, D, E) correspondientes a estas diferentes zonas del medio;
Lafigura 14muestra una curva del cálculo del ángulo de una dirección preferida de inclinación de la fibra muscular en el medio;
Lafigura 15muestra una matriz de direcciones preferidas determinadas superpuestas a una imagen ecográfica de un medio con fibras musculares;
Lafigura 16muestra una imagen ecográfica (A), una ampliación de una zona de esta imagen ecográfica (B) alrededor de un punto particular, la señal temporal local en parte real (C) y amplitud (D) estimada para este punto particular y el análisis espectral de esta señal temporal local del medio;
Lafigura 17muestra una imagen ecográfica (A) y una estimación del espectro promedio en función de la profundidad Z para la imagen ecográfica correspondiente de esta figura;
LaFigura 18muestra una imagen ecográfica (A) y la imagen de correlación espectral determinada para la imagen ecográfica correspondiente en esta figura.
En las diferentes realizaciones que se describirán con referencia a las figuras, elementos similares o idénticos llevan las mismas referencias salvo que se estipule lo contrario.
Descripción detallada de la invención
En la descripción detallada a continuación, sólo ciertas realizaciones se describen en detalle para garantizar la claridad de la exposición, pero estos ejemplos no pretenden limitar el alcance general de los principios que surgen de la presente descripción.
Las diferentes realizaciones y aspectos descritos en la presente descripción se pueden combinar o simplificar de múltiples maneras. En particular, las etapas de los diferentes procedimientos se pueden repetir, intercambiar, y/o ejecutar en paralelo, a menos que se especifique lo contrario.
La presente descripción se refiere a procedimientos y sistemas de caracterización ultrasónica de un medio, y se aplica en concreto a imagenología médica de tejidos vivos o no. El medio es, por ejemplo, un medio heterogéneo que se busca caracterizar para, por ejemplo, identificar y/o caracterizar las heterogeneidades. Opcionalmente, estos procedimientos y sistemas se pueden aplicar al control no destructivo de productos, tales como piezas metálicas un otras. Estas técnicas de caracterización son, por tanto, no invasivas en el medio, que es preservado.
Lafigura 3ilustra un ejemplo de un sistema 40 de caracterización ultrasónica para la implementación de procedimientos de caracterización ultrasónica de un medio tal como un medio heterogéneo 20, según la presente descripción. El sistema 40 comprende al menos una red 10 de transductores 11, por ejemplo una red lineal, bidimensional o matricial; los transductores son, por ejemplo, transductores piezoeléctricos ultrasónicos que pueden presentarse convencionalmente en forma de una tira rígida puesta en contacto directa o indirectamente con el medio 20. La red de transductores forma parte, por ejemplo, de un dispositivo de sondeo 41 (habitualmente denominado sonda); la red de transductores está conectada a una unidad de cálculo 42, que a su vez puede conectarse o asociarse con un dispositivo de visualización 43; la unidad de cálculo emite y registra señales eléctricas hacia y/o provenientes de cada uno de los transductores 11. A continuación, los transductores ultrasónicos transforman estas señales eléctricas en ondas ultrasónicas y viceversa. Por "conexión" o "vínculo" entre el dispositivo de sondeo 41, la unidad de cálculo 42 y el dispositivo de visualización 43, se entiende cualquier tipo de conexión por cable de tipo eléctrico u óptico, o cualquier tipo de vínculo inalámbrico utilizando cualquier protocolo tal como WiFi™, Bluetooth™ u otros. Estas conexiones o vínculos son unidireccionales o bidireccionales.
La unidad de cálculo 42 está configurada para la implementación de etapas de cálculo o procesamiento, en concreto para la implementación de etapas de procedimientos según la presente descripción. Por convención, se define una referencia espacial del medio 20, tomando un primer eje X y un segundo eje Z perpendicular al mismo. Por simplificación, el primer eje X corresponde a la dirección transversal en la que los transductores 11 están alineados para una red lineal, y el segundo eje Z corresponde a la profundidad del medio 20 con respecto a esta red 10 de transductores 11. Esta definición puede adaptarse al contexto y, por tanto, ampliarse, por ejemplo, a una referencia espacial de tres ejes en el caso de una red 10 bidimensional.
En lafigura 3como en el resto de la descripción, se hace referencia a una red de transductores para emisión y recepción, entendiéndose que, en un caso más general, se pueden utilizar varias redes de transductores simultáneamente. Asimismo, una red puede estar constituida por de uno (1) a N transductores, del mismo tipo o de distinta naturaleza. Los transductores pueden ser tanto emisor como receptor, o sólo emisor para unos y sólo receptor para otros.
La red de transductores sirve, por ejemplo, a la vez como emisor y como receptor, o está constituida por varias subredes de transductores, estando algunas dedicadas a la emisión, otras a la recepción de ondas ultrasónicas. Por red de transductores, se entiende al menos un transductor, una serie de transductores alineados o no alineados, o una matriz de transductores.
Cuando en la presente descripción, se hace referencia a etapas de cálculo o procesamiento para la implementación en concreto de etapas de procedimientos, se entiende que cada etapa de cálculo o procesamiento puede implementarse mediante software, hardware, firmware, microcódigo o cualquier combinación apropiada de estas tecnologías o tecnologías relacionadas. Cuando se utiliza un programa informático, cada etapa de cálculo o procesamiento puede implementarse mediante instrucciones de programa informático o código que puede, por ejemplo, interpretarse, o ejecutarse. Estas instrucciones pueden almacenarse o transmitirse a un medio de almacenamiento legible por una ordenador (o unidad de cálculo) y/o ejecutarse por un ordenador (o unidad de cálculo) para implementar estas etapas de cálculo o procesamiento.
Análisis de un punto en el medio mediante matriz de reflexión enfocada
La presente descripción describe procedimientos y sistemas de caracterización ultrasónica de un medio. En casos prácticos, se supone que el medio es heterogéneo. Estos procedimientos y sistemas se basan en definiciones representadas en lafigura 4:
Se define en el medio:
- un primer punto P1 de posición espacialr<in>en la referencia espacial del medio,
- un segundo punto P2 de posición espacialr<out>en la referencia espacial del medio.
Estas posiciones espacialesr<in>yr<out>están marcadas en negrita, para significar que estos elementos son vectores de posición, vectores tomados en la referencia espacial del medio (X, Z). Otras representaciones y definiciones de posiciones de puntos son posibles y accesibles para cualquier experto en la materia de los ultrasonidos.
Estos dos puntos P1 y P2 se eligen a una distancia bastante corta entre sí, es decir a unos milímetros uno del otro, y por ejemplo a veinte (20) milímetros o menos, a las frecuencias ultrasónicas.
Como se representa en lafigura 4,el procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 comprende:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes US<in>en una zona de dicho medio, por medio de una red 10 de transductores 11, siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión i; y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<ui>(t) definida entre la base de emisiónien la entrada y una base de recepción u en la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>, r<out>, 6t) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida TV<out>en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional 6t con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada TV<in>.
Las respuestas de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>, r<out>, 6t) corresponden a un campo de presión acústica calculado en cualquier punto del medio.
La base de emisiónien la entrada es, por ejemplo, una base de ondas generadas cada una por un único transductor 11 de la red 10 o una base de ondas planas de inclinación angular 0 con respecto al eje X, como se ha descrito anteriormente en la descripción de lasfiguras 1A a 1C.
La base de recepciónues, por ejemplo, la base de los transductores 11. Opcionalmente, se puede utilizar otra base de recepción en la recepción.
De este modo, la etapa de generación de ondas ultrasónicas se extiende entre la base de emisión i y la base de recepciónu.Esta etapa de generación ultrasónica está, por lo tanto, definida para cualquier tipo de ondas ultrasónicas de tipo enfocadas o desenfocadas, tales como ondas planas.
En la etapa de generación de la matriz, la matriz de reflexión experimentalR<ui>(t) se define entre la base de emisión i en la entrada y una base de recepciónuen la salida. Esta matriz contiene el conjunto de las respuestas temporales del medio, medidas en el tiempo t por cada transductor 11 de coordenada espacialu<out>y para cada emisióni<in>. Se comprende que los elementos nombrados con el índice "in" se refieren a la emisión (es decir, la entrada) y los elementos nombrados con el índice "out" se refieren a la recepción (es decir, la salida). Esta matriz experimental también puede registrarse y/o almacenarse, por ejemplo en la memoria de la unidad de cálculo, o en cualquier otro soporte, extraíble o no, permitiendo un almacenamiento permanente o temporal.
Más precisamente, en la etapa de determinación de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<out>, 6t), se aplica:
- un proceso de enfoque en la entrada a partir de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) que utiliza un tiempo de vuelo de ida de las ondas entre la base de emisión (i) y el transductor virtual en la entrada de TV<in>y que crea un punto focal llamado de entrada alrededor del primer punto P1 de posición espacialr<¡n>, correspondiendo dicho punto focal de entrada al transductor virtual de entrada TV<in>,
- un proceso de enfoque en la salida a partir de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) que utiliza un tiempo de vuelo de vuelta de las ondas entre el transductor virtual de salida (TV<out>) y los transductores de la base de recepción(u)y que crea un punto focal llamado de salida alrededor del segundo punto P2 de posición espacialr<out>, correspondiendo dicho punto focal de salida al transductor virtual de salida TV<out>,
- un retraso adicional 6t que es un retraso temporal añadido a los tiempos de vuelo de ida y vuelta durante los procesos de enfoque.
Estos procesos de enfoque en la entrada y en la salida forman, de hecho, un proceso de enfoque en entrada-salida, denominado en el resto de esta descripción proceso de enfoque.
En otras palabras, en este proceso de caracterización ultrasónica, el transductor virtual de entrada TV<in>corresponde a una "fuente virtual" ultrasónica situada en la posición espacialr<¡n>en el medio y el transductor virtual de salida TV<out>corresponde a un "sensor virtual" ultrasónico situado en la posición espacialr<out>. Esta fuente y este sensor virtuales están separados espacialmente por la diferencia en sus posiciones espacialesAr=r<out>-r<¡n>. También están separados temporalmente por el retraso adicional 6t, que es un retraso arbitrario y ajustable independientemente de la distancia espacial |Ar|. De este modo, el procedimiento es capaz de sondear el medio alrededor del punto P1 y/o del punto P2, de manera espacial y/o de manera temporal, lo que permite obtener nueva información en estas dos dimensiones (espacial y temporal) sobre la propagación de las ondas.
Por ejemplo, un cálculo de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<out>, 6t) del medio entre el transductor virtual de entrada TV<in>y el transductor virtual de salida TV<out>por dichos procesos de enfoque en la entrada y en la salida, es un procedimiento de formación de haces mejorado, que se puede expresar mediante la siguiente fórmula simplificada:
en donde
N<in>es el número de elementos de la base de emisión¡,
N<out>es el número de elementos de la base de recepciónuen la salida,
R<u¡>(t) es la matriz de reflexión experimental, de la queR<u¡>(u<out>,¡<¡n>,<T>(r<¡n>,r<out>,u<out>,¡<¡n>,5f)) es el elemento de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) registrado por el transductoru<out>tras la emisión¡<¡n>en el tiempo<t .>
El tiempo<t>es la suma del tiempo de vuelo de ida<Tin>de la onda ultrasónica entre los transductores de la base de emisión i y el transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>(primer punto P1), del tiempo de vuelo de regresor<out>de la onda ultrasónica entre el transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>(segundo punto P2) y los transductores de la base de recepciónu,y del retraso adicional<6>t, como se explica mediante la siguiente fórmula:
<T>(r<¡n>, r<out>, u<out>, ¡<¡n>,<6>t) =<Tin>(r<¡n,>¡<¡n>)<Tout>(r<out>, u<out>)<6>t
(Ecu. 2)
Los tiempos de vuelo<Tin>y<Tout>se calculan a partir de un modelo de velocidad del sonido. La hipótesis más simple consiste en plantear la hipótesis de un medio homogéneo con una velocidad del sonido constante c<o>. En este caso, los tiempos de vuelo se obtienen directamente a partir de las distancias entre los transductores de la sonda y los transductores virtuales.
El número de elementos de la base de emisión N<in>es, por ejemplo, superior o igual a uno (1), y ventajosamente superior o igual a dos (2). El número de elementos de la base de recepción N<out>es, por ejemplo, superior o igual a dos (2).
Esta fórmula de formación de haces mejorada es, por lo tanto, una doble suma de las respuestas temporales registradas en la matriz de reflexión experimental.R<u¡>, una primera suma según la base de emisión¡que traduce un enfoque en la emisión y una segunda suma según la base de recepciónuvinculada a un enfoque en la recepción, efectuándose este cálculo para las coordenadas espaciales de los dos puntos P1 y P2 (de posiciones espacialesr<¡n>,r<out>). El resultado de esta fórmula de formación de haces mejorada es, por lo tanto, una señal temporal para estas dos coordenadas espaciales (r<¡n>,r<out>), pero que también es función del retraso adicional ót entre la entrada y la salida, estando este retraso adicional ajustado arbitrariamente.
Dicha formulación de formación de haces también puede completarse con términos de ponderación en la entrada y en la salida, a menudo llamados apodización en la recepción y/o en la emisión. De este modo, un técnico en el campo puede completar todo el conjunto de fórmulas de formación de haces con estas ponderaciones.
La matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) registrada puede ser una matriz "real", es decir compuesta por coeficientes reales en el dominio temporal, siendo las señales eléctricas registradas por cada uno de los transductores números reales. Como variante, esta matriz puede ser una matriz "compleja", es decir compuesta por valores complejos, por ejemplo en el caso de la demodulación para la formación de haces en fase y en cuadratura (conocida en inglés con la denominación "beamforming IQ").
De este modo se obtiene una matriz de reflexión enfocada.RFoc(r<¡n>, r<out>, ót) que contiene señales temporales. Esta matriz de reflexión enfocada tiene cinco (5) dimensiones en el caso de una sonda lineal; dos espacios para las posiciones espacialesr<¡n>yr<out>, así como el retraso adicional ót, lo cual es muy diferente y mucho más rico en información que en matrices de reflexión enfocadas de la técnica anterior.
En este análisis, gracias al retraso adicional ót, los transductores virtuales de entrada TV<in>y de salida TV<out>no están definidos en el mismo instante de tiempo, lo que permite resaltar virtualmente la propagación de la onda ultrasónica entre el primer punto P1 del transductor virtual de entrada TV<in>y el segundo punto P2 del transductor virtual de salida TV<out>. Este retraso adicional ót puede ser positivo o negativo, lo que permite sondear el enfoque de la onda ultrasónica en el segundo punto P2, respectivamente, antes y después de un instante de tiempo de referencia de las trayectorias de la onda ultrasónica en el medio.
Este instante de tiempo de referencia se llama tiempo balístico t<b>. Este tiempo balístico es el tiempo de ida y vuelta de la onda ultrasónica entre los transductores de la base de emisión¡hacia el transductor virtual de entrada TV<in>, a continuación entre el transductor virtual de salida TV<out>, y los transductores de la base de recepciónu.
Este tiempo balístico t<b>se define mediante la siguiente fórmula:
t<b>= (||u<out>— r<out>|| ||u<¡n>— r<¡n>||)/<C0>
(Ecu.3)
en donde:
Coes la velocidad del sonido supuesta del medio (velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas).
Gracias a estas disposiciones, el procedimiento permite sondear muy localmente el medio en el segundo punto P2 con respecto al primer punto P1, con un retraso adicional ót entre las señales provenientes de estos dos puntos. Esta información local está enteramente contenida en los valores de la respuesta temporal calculada a partir de la matriz de reflexión enfocada,RFoc(r<¡n>, r<out>, ót) del medio y que se puede aprovechar a posteriori (y sin nuevas emisiones y/o adquisiciones) para caracterizar cada punto del medio.
De este modo, es posible deducir de esta respuesta temporal después de la formación del haz, una estimación de la reflectividad del medio considerando el valor absoluto de las señales confocales caracterizadas por posiciones espaciales iguales en la entrada y la salidar<¡n>=r<out>y en el retraso adicional nulo ót = 0 (es decir, el tiempo balístico sin este retraso adicional). Esta estimación de la reflectividad del medio es el valor de un píxel de una imagen ecográfica del medio. De este modo, para construir una imagen ecográfica, se puede barrer o elegir un conjunto de posiciones espaciales.r=r<¡n>=r<out>que corresponden a un conjunto de posiciones de píxeles en la imagen ecográfica.
La imagen ecográfica /(0)(r) se puede construir, a continuación, a partir de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<out>, ót) tomandor=r<¡n>=r<out>, y ót = 0, es decir:
/(Q)(r) =RFoc(r<¡n>,r<out>=r<¡n>, ót = 0)
(Ecu.4)
Imágenes de propagac¡ón alrededor de un punto del med¡o
El procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 puede entonces completarse construyendo una o más Imágenes de propagación de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<out>, ót), siendo esta o estas imágenes de propagación determinadas para uno o más valores del retraso adicional ót, para un transductor virtual de entrada TV<in>(primeros puntos P1) y para una pluralidad de transductores virtuales de salida TVout (segundos puntos P2), estando los transductores virtuales de salida TVout situados en posiciones espacialesr<out>alrededor del transductor virtual de entrada TVin de posición espacialr<¡n>.
En el caso de una única imagen de propagación, esta imagen de propagación se determina a partir de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<out>,<6>t) para un único retraso adicional<6>t predeterminado.
Esta imagen de propagación representa la manera en que se propaga una onda ultrasónica entre los transductores virtuales, y, por ejemplo, cerca del transductor virtual de entrada, y en un instante de tiempo igual al retraso adicional (instante de tiempo tomado relativo con respecto al tiempo balístico).
A continuación, el sistema 40 es opcionalmente capaz de mostrar una o más imágenes de propagación en el dispositivo de visualización 43.
La unidad de cálculo 42 también puede calcular una serie de imágenes de propagación para varios retrasos adicionales temporalmente sucesivos, por ejemplo para construir una película de propagación de la onda ultrasónica alrededor del transductor virtual de entrada TVin (primer punto P1). Esta película de propagación puede visualizarse opcionalmente en el dispositivo de visualización 43 o en cualquier otro medio.
Los retrasos adicionales temporalmente sucesivos tomados para construir esta película de propagación se toman en el ejemplo de los inventores en un intervalo de retraso adicional.
Por ejemplo, el intervalo de retraso adicional puede adoptar la forma de un intervalo de tiempo adaptado para ir desde el transductor virtual de entrada TVin de posición espacialr<¡n>al conjunto de los transductores virtuales de salida TVout de posición espacialr<out>. Este intervalo de retraso adicional se indica entonces, por ejemplo, [-<5>tmin.,<5>tmáx], con<6>tm¡n =<Z>outmáx -<Z>in /<C0>y<S>tmáx =<z>0utmín-<Z>in /<C0>, donde<Z>in y<Z>out son respectivamente las profundidades en la dirección positiva del segundo eje Z del transductor virtual de entrada TVin. de posición espacialr<¡n>y el transductor virtual de salida TVout de posición espacialr<out>.
Por ejemplo, el intervalo de retraso adicional puede ser simétrico alrededor del valor cero (<6>t=0) y de amplitud<S>tmáx, estando este intervalo de retraso adicional indicado [-<S>tmáx,<5>tmáx]. Por ejemplo, se puede definir por<S>tmáx = máx(|Ar|) /copara los transductores de salida de TVout utilizados para la imagen de propagación.
La imagen dereferencia Adelfigura 5muestra una imagen ecográfica de un fantasma o medio ejemplo de estudio, que comprende heterogeneidades predeterminadas de varios tipos. En este medio, se considera una zona de análisis ZAout rectangular (compuesta por segundos puntos P2 de transductores virtuales de salida TVout) que se barre mediante cálculo para construir una o más imágenes de propagación alrededor del primer punto P1 del transductor virtual de entrada TVin de posición espacialr<¡n>, aquí situado en el medio de la zona de análisis ZAout. La zona de análisis se puede situar en cualquier posición independientemente de la posición del transductor virtual de entrada. Sin embargo, es particularmente interesante que la zona de análisis rodee al transductor virtual de entrada.
El transductor virtual de entrada TVin (primer punto P1) está, en esta imagen de referencia A, localizado sobre o cerca de un elemento reflectante (objetivo ecógeno) del medio.
Las imágenes dereferencias B a Fde lafigura 5son imágenes de propagación de la zona de análisis ZAout de la imagen A de la figura 5, para cinco (5) valores de retrasos adicionales<6>t. Estos retrasos adicionales son -3,86 ps, -1,93 ps, 0 ps, 1,93 ps, 3,86 ps en el ejemplo ilustrativo de los inventores. Cada imagen de propagación está compuesta:
- por una primera imagen con índice 1 (por ejemplo B<1>) correspondiente a la amplitud de los valores de la matriz de reflexión enfocada para un conjunto de puntos de la zona de análisis ZAout, y
- por una segunda imagen con índice 2 (por ejemplo B<2>) correspondiente a la parte real de los valores de la matriz de reflexión enfocada para el mismo conjunto de puntos de la zona de análisis ZAout.
En estas imágenes, el nivel de amplitud o el nivel de la parte real está representado por un nivel de grises cuya escala figura en las imágenes B<1>y B<2>de la figura 5. Los puntos o píxeles de estas imágenes de propagación tienen como posición espacialAr=r<out>-r<¡n>, es decir, la posición relativa de los transductores virtuales de salida TVout de posición espacialr<out>con respecto a la posiciónr<¡n>del transductor virtual de entrada TVin. En la figura que ilustra este ejemplo, las coordenadas se indican<A>x en la abscisa, y<A>z en la ordenada de estas imágenes.
Estas imágenes de propagación ilustran las explicaciones dadas anteriormente a propósito de la matriz de reflexión enfocada calculada con un retraso adicional<5>t: Permiten visualizar la propagación de una onda coherente. En concreto, para retrasos adicionales negativos que se acercan a cero, esta onda coherente es convergente hacia el primer punto P1 del transductor virtual de entrada TVin, y está idealmente concentrado y enfocado en un punto focal delimitado por los límites de difracción para el retraso adicional cero (<5>t = 0). Esta onda coherente es, a continuación, divergente para generar retrasos adicionales positivos y crecientes.
Esta onda coherente resulta de un proceso de reversión temporal digital de los ecos provenientes de la fuente virtual localizada en el transductor virtual de entrada de posición espacialr<¡n>y medidos por los transductores de la sonda. Efectuando la formación de haces en la recepción para un conjunto de posiciones espacialesr<out>alrededor del transductor virtual de entrada de posición espacialr<¡n>, y en los diversos tiempos adicionales ót, se ilustra el enfoque en la recepción fuera de la posición confocal (es decir,r<¡n>=r<out>).
Como estas imágenes de propagación se obtienen para un primer punto P1 del transductor virtual de entrada TV<in>localizado sobre o cerca de un elemento reflectante (objetivo ecógeno) del medio, la onda coherente es fácilmente identificable en estas imágenes de propagación y presenta una buena relación señal-ruido en comparación con las señales vecinas.
La imagen dereferencia Ade lafigura 6muestra la misma imagen ecográfica que la de la figura 5, para la cual se considera otra zona de análisis ZA'<out>rectangular (de la misma dimensión en este ejemplo) que es barrida mediante cálculo para construir imágenes de propagación alrededor de otro primer punto P1' del transductor virtual de entrada TV'<in>de posición espacialr<¡n>.
Este otro primer punto P1' del transductor virtual de entrada TV'<in>está aquí asociado con una celda de resolución que contiene un conjunto de dispersores con resolución insuficiente, dispuestos aleatoriamente y que tienen una reflectividad comparable. En la escala de la longitud de onda, dicho medio se llama "moteado ultrasónico" y se caracteriza por una reflectividad aleatoria resultante de interacciones destructivas y constructivas entre cada uno de los dispersores con resolución insuficiente, responsable del efecto granular de la imagen ecográfica en modo B.
Las imágenes dereferencia B a Fde lasfiguras 6son imágenes de propagación de esta otra zona de análisis ZA'<out>de la imagen A de la figura 6, para los mismos 5 valores de retraso adicionales ót que para las imágenes B a F en la figura 5.
Las amplitudes y partes reales de los valores de la matriz de reflexión enfocada para un conjunto de segundos puntos de esta otra zona de análisis ZA'<out>están representados aquí de la misma manera.
Estas imágenes de propagación para un dispersor también muestran una onda ultrasónica coherente (rodeada por líneas discontinuas) que converge, se concentra en el primer punto P1' del transductor virtual de entrada TV'<in>, y después que diverge. Sin embargo, es más difícil discernir esta onda coherente debido a los ecos generados por los dispersores situados aguas arriba o aguas abajo del plano focal, que presentan una reflectividad comparable a la de la fuente virtual estudiada.
Además y recíprocamente a la definición anterior de imágenes de propagación, también es posible construir una o más imágenes de propagación entre una pluralidad de transductores virtuales de entrada TV<in>(primeros puntos P1) y un transductor virtual de salida TV<out>(segundos puntos P2). De este modo, las imágenes de propagación se construyen a partir de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>, r<out>, ót), siendo esta o estas imágenes de propagación determinadas para uno o más valores del retraso adicional ót, para un transductor virtual de salida TV<out>(segundo punto P2) y para una pluralidad de transductores virtuales de entrada TV<in>(primeros puntos P1), estando los transductores virtuales de entrada TV<in>situados en posiciones espacialesr<in>alrededor del transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>.
De hecho, las definiciones de las imágenes de propagación con respecto a los transductores de entrada y de salida están invertidas. Debido a la reciprocidad de la propagación de las ondas, las imágenes producidas son muy similares y los diversos cálculos y determinaciones realizados a partir de estas imágenes de propagación y explicados a continuación se pueden efectuar de manera similar. En aras de la sencillez, esta descripción detallada sólo explicará el primer sentido entre un transductor de entrada y una pluralidad de transductores de salida virtuales. Pero se comprenderá que, en cada una de las definiciones que figuran en este documento, es posible intercambiar los elementos con índice "out" e índice "in", y las designaciones "entrada" y "salida".
Además, también es posible utilizar los dos tipos de imágenes de propagación (según el primer y segundo sentido), y combinarlas o promediar estas dos imágenes de propagación para obtener una imagen de propagación promedio más representativa y más contrastada de la propagación de las ondas en el medio. También es posible combinar resultados de estos dos tipos de imágenes o determinados a partir de estos dos tipos para obtener un resultado a menudo más preciso.
La matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>,r<out>, ót) como se definió anteriormente utiliza las posiciones espacialesr<in>,r<out>de los transductores virtuales de entrada TV<in>y de salida TV<out>. Estas posiciones espaciales son posiciones absolutas en un sistema de referencia espacial. Sin embargo, es posible utilizar también una única posición espacial absoluta y una posición espacial relativa con respecto a esta posición espacial absoluta. Por ejemplo, se puede tomar<la posición espacial absoluta rin del transductor virtual de entrada y la posición espacial relativa>Ar<out del transductor virtual de salida, con>Ar<out = rout - rin. Recíprocamente, se puede tomar la posición espacial absoluta rout del transductor virtual de salida y la posición espacial relativa>Ar<in del transductor virtual de entrada, con>Ar<in = rin - rout. Cada uno de>los cálculos y/o determinaciones de la presente descripción se puede efectuar con ayuda de una u otra de las definiciones anteriores, o de cualquier otra definición similar y/o equivalente.
Extracción de la onda coherente
El procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 se puede completar aplicando una etapa de combinación en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de películas de propagación, siendo cada película de propagación del conjunto tomada entre un transductor virtual de entrada TV<in>elegido de posición espacialr<¡n>diferente, y transductores virtuales de salida TV<out>de posición espacialr<out>tales quer<out>=Ar<out>+r<¡n>, conAr<out>siendo predefinidos e idénticos para todas las películas de propagación del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí.
En otras palabras, se selecciona un conjunto de posiciones espaciales vecinas de transductores virtuales de entrada TV<in>elegidos, formando este conjunto de posiciones espaciales una zona de interés para correlación, llamada más simplemente zona espacial de correlación ZC, y que permite correlacionar las películas de propagación de estos transductores virtuales de entrada. Esta zona espacial de correlación es, por ejemplo, una zona rectangular alrededor de un punto de referencia. También puede ser la imagen en su conjunto o cualquier zona de forma simétrica o no. Las posiciones espaciales vecinas son, por ejemplo, posiciones espaciales cercanas entre sí.
Mediante esta combinación de un conjunto de varias películas de propagación, se obtiene a continuación una película de propagación de onda coherente mejorada, por ejemplo, en términos de coherencia y de contraste. Las imágenes de esta nueva película de propagación denominada película de propagación de onda coherente se obtienen para los mismos retrasos adicionales ót, y para las mismas posiciones relativasAr<out>.
Esta nueva película de propagación de onda coherente podrá asociarse, a continuación, a un transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>de posición espacialr<¡n,ref>que representa los transductores virtuales de entrada elegidos del conjunto de películas de propagación (los transductores virtuales de entrada de la zona espacial de correlación).
Según un primer ejemplo, el transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>es un transductor virtual de entrada de posición espacial correspondiente al promedio de las posiciones espaciales de los transductores virtuales de entrada elegidos. De este modo, en esta variante anterior, se puede expresar la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia mediante:
siendo rjjj los transductores virtuales de entrada elegidos,
siendoNmel número de transductores virtuales de entrada elegidos, que componen la zona espacial de correlación.
Según otro ejemplo, el transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>es un transductor virtual de entrada de posición espacial correspondiente a un promedio ponderado de las posiciones espaciales de los transductores virtuales de entrada elegidos, basándose dicha ponderación, por ejemplo, en el valor de reflectividad de cada punto de los transductores virtuales de entrada elegidos. De este modo, en esta variante, se puede expresar la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia mediante:
rin,ref
(Ecu. 6)
Por ejemplo, esta combinación lineal está determinada o realizada por una descomposición en valores singulares, indicada SVD durante el cual se efectúa un cálculo de descomposición en valores singulares del conjunto de películas de propagación para obtener un vector singularViasociado con el valor singular de mayor valor absoluto, siendo entonces este vector singularVila película de propagación de onda coherente asociada con dicho transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>y para los mismos retrasos adicionales ót.
La pluralidad de películas de propagación en el conjunto se procesa aquí mediante descomposición en valores singulares para combinar varias películas, es decir varias mediciones o experimentos del desorden acústico de una región vecina a un transductor virtual de entrada, lo que permite mejorar el contraste de la película de propagación, y de este modo mejorar ventajosamente su aprovechamiento.
Para efectuar este cálculo de descomposición en valores singulares (en particular porque las herramientas actuales habituales de descomposición en valores singulares funcionan en matrices bidimensionales), es posible construir una matriz de reflexión enfocada concatenada RFoc' en donde las líneas de esta matriz de reflexión enfocada concatenada RFoc' son los índices del transductor virtual de entrada TV<in>elegidos de posición espacialr<¡n>, y las columnas de esta matriz de reflexión enfocada concatenada RFoc' son las películas de propagación concatenadas {Ar<out>,<ó>t} (conjunto de imágenes) para cada transductor virtual de entrada TV<in>elegido, siendo estas películas de propagación tomadas para la misma sucesión temporal de retrasos adicionales ót. Esta matriz de reflexión enfocada concatenada es, de este modo, la matriz de reflexión enfocada RFoc recentrada en el punto de enfoque en la entradar<¡n>.
Por ejemplo, se indica esta matriz de reflexión enfocada concatenada RFoc' mediante:
RFoc' = [RFoc(r<¡n>,{Ar<out>,<5>t})] = [RFoc(r<¡n>,{r<¡n>+Ar<out>,<S>t})]
Esta etapa de descomposición en valores singulares SVD proporciona entonces un vector singularV<i>que maximiza las correlaciones entre cada una de las fuentes de los transductores virtuales de entrada TV<in>elegidos. El vector singularV<i>está asociado con el valor singular de descomposición en valor singular de mayor valor absoluto. El vector singularV<i>es entonces la película de propagación de onda coherente asociada con un transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>y para los mismos retrasos adicionales ót.
Por lo tanto, el uso de la descomposición de valores singulares SVD permite combinar varias películas de propagación de onda evitando al mismo tiempo la reflectividad aleatoria introducida por el régimen de tipo moteado. Siendo la onda coherente un elemento común a cada una de las películas de propagación, esta surge durante el proceso de combinación, mientras que las contribuciones de los dispersores situados fuera de cada transductor virtual de entrada TV<in>son borradas por la interferencia destructiva. Esto equivale a efectuar una filtración de las películas de propagación para extraer la onda coherente.
La imagen dereferenciaA de lafigura7 presenta la misma imagen ecográfica que las de las figuras 5 y 6. Se considera en esta figura un ejemplo de zona de análisis ZA<out>asociado con un transductor virtual de entrada elegido del conjunto de transductores virtuales de entrada TV<in>elegidos, estando estos transductores virtuales elegidos representados en esta imagen A por una cuadrícula de puntos de forma rectangular. Los puntos de esta cuadrícula representan el conjunto de los transductores virtuales de entrada TV<in>elegidos, denominada zona de coherencia ZC (es decir, los transductores virtuales de entrada elegidos vecinos) para efectuar la combinación coherente de las películas de propagación.
Las imágenes dereferencias B a Fde lafigura 7son imágenes de propagación de onda coherente de la zona de análisis ZA<out>de la imagen A de la figura 7 para varios valores de retraso adicionales ót que representan el primer vector singularV<i>. En este ejemplo se utiliza la misma representación de la primera imagen de amplitud y de la segunda imagen de parte real que la presentada para las figuras anteriores.
Las imágenes de la figura 7 muestran que se puede extraer la parte coherente de la onda ultrasónica también para un conjunto de primeros puntos P1 (transductor virtual de entrada TV<in>) situados en el moteado. En efecto, en estas imágenes, se observa una única onda coherente que se desplaza de abajo hacia arriba concentrándose en la posición del transductor virtual de entrada TV<in>, mientras que las imágenes de propagaciones no procesadas por el proceso de descomposición en valores singulares SVD de este experimento se parecerían a las presentadas en las imágenes de referencia B a F de la figura 6.
La descomposición en valores singulares permite extraer de forma muy fiable la onda coherente a partir de imágenes/películas de propagación. Por ejemplo, en lafigura 8A,la primera curva A1 corresponde a la amplitud de la señal en el punto confocal en función del retraso adicional ót (aquí entre -3 ps y 3 ps) de una de las películas de propagación obtenida para un transductor virtual de entrada TV<in>perteneciente a la zona de coherencia<Z c .>El punto confocal es el punto de las imágenes de propagación definido por Ax = Az = |Ar| = 0 (r<¡n>=r<out>) representado en el ejemplo de los inventores por la cruz situada en el centro de cada imagen de propagación y que corresponde a la posición del transductor virtual de entrada. Esta curva A1 es muy caótica en el caso representado, ya que la posición confocal|r|coincide con una zona de tipo denominada "moteado". La onda coherente está entonces total o parcialmente oculta por los ecos provenientes de los dispersores localizados aguas arriba o aguas abajo de esta zona confocal. En esta figura, la curva A2 corresponde a la amplitud de la señal de la película de propagación de onda coherente (primer vector singularV1) resultante de la descomposición en valores singulares de la película de propagación anterior, y para el mismo punto confocal. Esta curva A2 muestra un único máximo centrado en el retraso adicional ót cero, lo que demuestra un buen enfoque de la onda incluso para este caso concreto que se centra en un elemento poco reflectante.
Lafigura 8Bmuestra los espectros de frecuencia de las señales en la figura 8A, correspondiendo la curva S1 al espectro de frecuencia de la señal de la curva A1, y correspondiendo la curva S2 al espectro de frecuencia de la señal de la curva A2. Sin embargo, se observa una pérdida de la resolución temporal de la onda coherente (visible en la figura 7), lo que resulta en una reducción del ancho espectral de las señales estudiadas. Si es necesario, este fenómeno se puede corregir con ayuda de una etapa de ecualización de espectro.
Las imágenes de propagación de onda coherente son análogas a las imágenes de propagación asociadas con un dispersor ecógeno pero cuyo ancho espectral se ha reducido.
Estas curvas A2, S2 ilustran la efectividad de la etapa de combinación/descomposición en valores singulares para extraer o filtrar películas de propagación de onda coherente con un único máximo (una única onda principal).
Onda coherente en un sistema de referencia balístico
El cálculo de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>,r<ou t>, 6t) supone un modelo de velocidad de las ondas ultrasónicas en el medio (por ejemplo, una velocidad del sonido c<o>, constante). En efecto, los tiempos de vuelo de ida Tin y los tiempos de vuelo de vueltar<ou t>de la onda se calculan convencionalmente con fórmulas geométricas de cálculo de la distancia entre los transductores 11 y cada punto en el medio, y con esta hipótesis de velocidad del sonido constante.
Por consiguiente, las imágenes de propagación, las películas de propagación y las películas de propagación de onda coherente calculadas previamente incluyen esta hipótesis de velocidad del sonidococonstante. En estas imágenes y películas, la onda coherente resulta de un proceso de reversión temporal digital basado en el modelo de velocidad del sonido supuesto. Por lo tanto, esta onda se propaga a la velocidad del sonido supuesta c<o>. En el tiempoSt= 0, está localizada a la profundidad del transductor virtual de entrada TVin (la cruz central en estas figuras), es decir para Az = 0. Por lo tanto, el tiempo de vuelo de la onda coherente sigue la siguiente relación de propagación balística:
St(Ar<o u t>) =-sign(Azout) ■|Ar<o u t>|/c<0>
(Ecu.7)
en donde:
coes la velocidad del sonido en el medio,
|Ar<o u t>| es el módulo del vector entre el transductor virtual de entrada TV<in>y el transductor virtual de salida TV<out>, Ar<ou t>=r<ou t>-r<in>,
6t es el retraso adicional,
Az<out>es el componente a lo largo del segundo eje Z del vector de posición espacial Ar<o u t>.
En otras palabras, en estas imágenes de propagación, la onda teórica que se propaga a la velocidad del sonidocoforma un arco centrado en el origen de la imagen (es decir, el transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>). La relación de propagación balística relaciona, por lo tanto, la posición relativa Ar<ou t>al retraso adicional 6t por la velocidad del sonidoco.El signo negativo subraya el hecho de que se trata de un proceso de reversión temporal digital.
A continuación, es posible extraer de la película de propagación o de la película de propagación de onda coherente, una imagen de enfoque de la onda en el sistema de referencia balístico, imagen que se denomina imagen del frente de onda y que sigue esta onda teórica a la velocidad del sonido c<o>: Para cada imagen de propagación o imagen de propagación de onda coherente, con un retraso adicional 6t, se extraen los valores (valor de presión acústica) que se sitúan en este arco de círculo (es decir, que respetan la relación de propagación balística anterior). De este modo se construye una nueva imagen, llamada imagen del frente de onda que representa la evolución de la película de propagación o película de propagación de onda coherente en el sistema de referencia balístico. Esta imagen del frente de onda es, por lo tanto, una imagen del frente de onda en el sistema de referencia balístico.
Según una primera variante, se determina la imagen del frente de onda indirectamente calculando una película de propagación o una película de propagación de onda coherente, y extrayendo de ella los datos adecuados de esta película como se explicó anteriormente para determinar la imagen del frente de onda durante el intervalo de retraso adicional.
Por lo tanto, el procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 puede completarse aplicando una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para un transductor virtual de entrada TV<in>o para un transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir:
- de las imágenes de una película de propagación o de una película de propagación de onda coherente, y - de una relación de propagación balística del tipo:
St(Ar<o u t>) = -sign(Az<out>) ■ |Ar<o u t>|/c<0>
que permite extraer valores de cada una de las imágenes de las películas para construir la imagen del frente de onda.
Según una segunda variante, se determina una imagen del frente de onda directamente a partir de la matriz de reflexión experimental R<ui>(t), imponiendo la relación de propagación balística anterior.
Por lo tanto, el procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 puede completarse aplicando una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para un transductor virtual de entrada TVin y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir:
de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<o u t>, ót) y
de una relación de propagación balística del tipo
<S>f(Ar<o u t>) = -sgn(Az<out>) ■ |Ar<o u t>|/C<0>,
que permite extraer valores de la matriz de reflexión enfocada para construir la imagen del frente de onda.
En todas estas variantes, la imagen del frente de onda permite estimar el campo de presión (respuesta en la emisiónrecepción) generado por el transductor virtual de entrada TV<in>o de referencia TV<in,ref>a partir de los ecos medidos por los transductores de la sonda.
Cabe señalar que las señales contenidas en la imagen del frente de onda son una submatriz de la matriz de reflexión enfocada. Por lo tanto, para los cálculos, se pueden limitar a señales que verifiquen la relación de propagación balística anterior. En este caso, la imagen del frente de onda es la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<o u t>, ót).
Los puntos o píxeles de estas imágenes del frente de onda tienen como posición espacial Ar<ou t>=r<ou t>-r<¡n>, es decir, una posición relativa con respecto a la posiciónr<¡n>del transductor virtual de entrada TV<in>. De este modo, las coordenadas se indican Ax en la abscisa, y Az en la ordenada de estas imágenes. Estas imágenes del frente de onda también se pueden determinar para un procedimiento de imagenología en tres dimensiones. A continuación, se utilizan otras coordenadas para representar imágenes del frente de onda en diversos planos.
Lafigura 9Amuestra la amplitud de dicha imagen del frente de onda y lafigura 9Bmuestra la parte real de esta imagen del frente de onda. Se constata en esta figura 9B un salto de fase de n radianes al pasar por el punto de enfoque del transductor virtual de entrada TV<in>(posición espacialr<¡n>de coordenadas Ax=Az=0 en esta figura). Este salto de fase se conoce con la designación salto de fase de Gouy. La imagen del frente de onda permite ilustrar claramente este fenómeno.
Al igual que para las imágenes de propagación, es posible invertir el papel desempeñado por los transductores virtuales de entrada TV<in>y los transductores virtuales de salida TV<out>. En este caso se obtiene una estimación del campo de presión generado por el enfoque en la salida.
Determinación de la velocidad del sonido integrada
El procedimiento y sistema de caracterización ultrasónica de un medio según la presente divulgación e implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 también es capaz de determinar la velocidad del sonido integrada en un punto del medio. La velocidad del sonido integrada es una estimación del valor promedio de la velocidad del sonido entre los transductores del dispositivo de sondeo 41 y un punto del medio. Más exactamente, esta velocidad del sonido integrada integra el conjunto de las velocidades del sonido locales de las zonas atravesadas por la trayectoria de ida y de vuelta de la onda ultrasónica.
En este caso, el procedimiento comprende:
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para un transductor virtual de TV<in>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada como se ha descrito anteriormente en función de la velocidad del sonidoCoen el medio,
- una etapa de determinación de una posición en profundidad Az<(0)>desde el centro del punto focal en la imagen del frente de onda para el transductor virtual de entrada TV<in>, y
- una etapa de cálculo de una velocidad del sonido integrada<c>(1) a partir de la siguiente fórmula:
(Ecu.8)
en donde z<in>es el componente a lo largo de un segundo eje Z del vector de posición espacialr<¡n>del transductor virtual de entrada TV<in>.
Por "centro del punto focal en la imagen del frente de onda", se entiende, por ejemplo, la posición del máximo del punto focal en la imagen del frente de onda; es decir, la posición del píxel que tiene el mayor valor de toda la imagen del frente de onda. Cabe señalar que en la imagen del frente de onda, sólo se observa un único punto focal, y su posición es, por lo tanto, única. De este modo, la posición del centro del punto focal también es única, y representa la posición en profundidad Az<(0)>(r<¡n>) a utilizar para corregir la velocidad del sonido co, para el punto del medio correspondiente a la posición espacialr<¡n>del transductor virtual de entrada TV<in>.
Por ejemplo, el centro del punto focal se determina buscando en la imagen del frente de onda la posición espacial del punto de mayor valor, y la posición en profundidad Az<(0)>del centro del punto focal es entonces el componente en la dirección del eje Z de profundidad, correspondiente al eje Az, de este punto de mayor valor.
Cabe señalar que la posición en profundidad Az<(0)>se determina para cada transductor virtual de entrada TV<in>tomado en el medio o viceversa para cada transductor virtual de salida TV<out>tomado en el medio. De manera más general, esta posición en profundidad depende de cada punto de posición espacialrconsiderado se puede indicar Az<(0)>(r) conr = r<¡n>or=r<o u t>.
En efecto, en las imágenes de la película de propagación o de la película de propagación de onda coherente, la onda ultrasónica se enfoca en el instante del retraso adicional ót cero (ót=0) sólo si la velocidad del sonido c<o>, utilizada para el cálculo de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<ou t>, ót) mediante los cálculos de tiempo de vuelo de ida y de tiempo de vuelo de vuelta, y para el cálculo de la imagen del frente de onda a través de la relación de propagación balística, es un valor de velocidad del sonido que corresponde a una velocidad del sonido integrada correcta para el medio real entre los transductores 11 del dispositivo de sondeo 41 y el punto del medio correspondiente al transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>.
Por ejemplo, lafigura 10ilustra este proceso. En esta figura 10, las imágenes con referencia A, B y C muestran imágenes del frente de onda obtenidas con velocidades del sonidocopredefinidas respectivamente de 1440 m/s, 1540 m/s y 1640 m/s. En estas imágenes del frente de onda, se observa un punto focal que se desplaza a lo largo del eje de ordenadas Az, es decir, en profundidad (dirección Z). El gráfico con referencia D muestra entonces las tres curvas de intensidad CI<a>, CI<b>y CI<c>de estas imágenes del frente de onda en este eje de ordenadas Az, es decir, el eje para el cual Ax = 0.
Por ejemplo, la posición en profundidad Az<(0)>(r<¡n>) del punto focal se obtiene como se ilustra en la figura 10, es decir determinando la posición en profundidad del máximo de los valores de la imagen del frente de onda en el eje de ordenadas Az, tal que Ax = 0. La posición de profundidad Az<(0)>(r<¡n>) del punto focal en la imagen del frente de onda se efectúa buscando en la imagen del frente de onda la posición en el eje de ordenadas Az que tiene un valor máximo en esta imagen del frente de onda, correspondiendo este eje de ordenadas Az a una abscisa Ax nula en la imagen del frente de onda.
Por ejemplo, para la curva de intensidad CI<a>del gráfico D, la posición en profundidad Az<(0)>(r<¡n>) es de aproximadamente 4,5 mm, lo que conducirá a una estimación de la velocidad del sonido integrada c<(1)>(r<¡n>) superior a la velocidad del sonido inicialmente supuesta c<(0)>, en la posiciónr<¡n>de los transductores virtuales de entrada elegidos TV<in>, de modo que la posición vertical a lo largo del eje Az del punto focal de la imagen A se desplazará hacia arriba y por lo tanto hacia el punto de origen (Ax = Az = 0) del transductor virtual de entrada, lo que corresponde a un reinicio por cálculo de la velocidad del sonido integrada para este punto del medio del transductor virtual de entrada TV<in>.
Por consiguiente, en la práctica, posiblemente pueda ser satisfactorio con calcular los valores de la imagen del frente de onda en el eje Az, para el cual Ax=0, para determinar una velocidad del sonido o velocidad del sonido integrada.
De este modo, el procedimiento de caracterización ultrasónica de un medio, para determinar una velocidad del sonido integrada, comprende las siguientes etapas:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes US<in>en una zona de dicho medio, por medio de una red 10 de transductores 11, siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión¡; y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) definida entre la base de emisión¡en la entrada y una base de recepciónuen la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>, r<o u t>, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<o u t>, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida TV<out>en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada TV<in>,
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para el transductor virtual de entrada TV<in>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada en función de la velocidad del sonidocoen el medio, y siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir:
- de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<o u t>, ót) y
- de una relación de propagación balística del tipo
óf(Ar<o u t>) =-sign(Azout) ■|Ar<o u t>|/c<0>,
que permite extraer valores de la matriz de reflexión enfocada para construir la imagen del frente de onda, y en donde:
St es el retraso adicional,
|A<r out>| es el módulo del vector entre el transductor virtual de entrada TV<in>y el transductor virtual de salida TV<out>, con A<r out>=<r out>-<r ¡n>,
Az<0ut>es el componente a lo largo de un eje Z de profundidad del vector de posición espacial A<r out,>
- una etapa de determinación de una posición en profundidad Az<(0)>del centro del punto focal en la imagen del frente de onda, y
- una etapa de cálculo de una velocidad del sonido integrada c<(1)>, a partir de la siguiente fórmula:
(Ecu.9)
en donde z<in>es el componente a lo largo del eje Z en profundidad del vector de posición espacial<r ¡n>del transductor virtual de entrada TV<in>.
Opcionalmente, este procedimiento se puede repetir una o más veces como se definió anteriormente, calculando una nueva velocidad del sonido integrada c<(n+1)>a partir de la determinación de una imagen del frente de onda obtenida con la de velocidad del sonido integrada anterior c<(n)>, de la determinación de una posición en profundidad Az<(n)>del centro del punto focal, y del cálculo de la nueva velocidad del sonido integrada c<(n)>por la misma fórmula de iteración:
C<(n+1)>(<r ¡n>) = c<(n)>(<r ¡n>)11<+ ¿>z(n)(<r ‘">)
y z in
(Ecu. 10)
En la práctica, este proceso iterativo converge extremadamente rápidamente hacia una velocidad del sonido integrada óptima que corresponde a la mejor velocidad del sonido integrada para los transductores 11 del dispositivo de sondeo y el punto elegido del medio (transductor virtual de entrada).
Además, en una variante, este procedimiento para determinar la velocidad del sonido integrada se puede mejorar efectuándolo entre la etapa de determinación de una imagen del frente de onda y la etapa de determinación de la posición en profundidad Az<(0)>(<r ¡n>) de un punto focal, una etapa de mejora de la imagen del frente de onda en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a una zona de coherencia ZC dada, siendo cada imagen del frente de onda del conjunto tomada entre un transductor virtual de entrada TV<in>elegido de posición espacial<r ¡n>diferente, y transductores virtuales de salida TV<out>de posición espacial<r out>tales que<r out>= A<r out>+<r ¡n>, con A<r out>siendo predefinidos e idénticos para todas las imágenes del frente de onda del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí. Se obtiene así una imagen del frente de onda mejorada o imagen del frente de onda coherente asociada con un transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>, representando este transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>los transductores virtuales de entrada del conjunto de las imágenes del frente de onda utilizadas asociadas con la zona de coherencia ZC elegida, y para las mismas posiciones relativas A<r out>.
Por ejemplo, el transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>es un transductor virtual de entrada de posición espacial correspondiente al promedio de las posiciones espaciales de los transductores virtuales de entrada elegidos o un promedio ponderado de las posiciones espaciales de los transductores virtuales de entrada elegidos, como ya se explicó anteriormente en el caso de películas de propagación.
En resumen, en el procedimiento de la presente divulgación, se añaden las siguientes etapas:
- entre la etapa de determinación de una imagen del frente de onda y la etapa de determinación de la posición en profundidad Az<(0)>(<r ¡n>) de un punto focal, se efectúa una etapa de mejora de la imagen del frente de onda en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a una zona de coherencia, siendo cada imagen del frente de onda tomada entre un transductor virtual de entrada (TV<in>) elegido de posición espacial<r ¡n>diferente, y transductores de salida virtuales (TV<out>) de posición espacial<r out>tales que<r out>= A<r out>+<r in>, con A<r out>siendo predefinidos e idénticos para todas las imágenes del frente de onda del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí, para obtener una imagen del frente de onda mejorada asociada con un transductor virtual de entrada de referencia (TV<in,ref>), siendo este transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>característico de los transductores virtuales de entrada de todas las imágenes del frente de onda utilizadas y asociadas con la zona de coherencia ZC, y
- en la etapa de determinación de una posición en profundidad Az<(0)>(<r ¡n>), se utiliza la imagen del frente de onda mejorada en lugar de la imagen del frente de onda, la posición en profundidad del centro del punto focal es relativa a la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>, y esta posición en profundidad del centro del punto focal permite estimar una velocidad del sonido integrada c<(1)>(<r ¡n,ref>) a la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>.
A continuación se utiliza la imagen del frente de onda mejorada (imagen del frente de onda coherente) (en lugar de la imagen del frente de onda) para determinar la posición axial del centro del punto focal. Esta distancia o posición en profundidad Az<(0)>(r<¡n,ref>) es entonces característica de un modelo de velocidad del sonido incorrecto y puede utilizarse para estimar la velocidad del sonido integrada c<(1)>(r<¡n,ref>) asociada con la posición espacialr<¡n,ref>de los transductores virtuales de entrada de referencia TV<in,ref>.
Según una realización, la combinación lineal está determinada por un cálculo de descomposición en valor singular SVD del conjunto de las imágenes del frente de onda para obtener un vector singularW<i>asociado con el valor singular de descomposición en valor singular de mayor valor absoluto, siendo entonces este vector singularW<i>la imagen del frente de onda mejorada correspondiente a dicho transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>y para los mismos retrasos adicionales ót.
La pluralidad de imágenes del frente de onda del conjunto puede ser procesada aquí por descomposición en valores singulares para combinar varias mediciones o experimentos del desorden acústico de una región vecina a un transductor virtual de entrada, lo que permite superar las fluctuaciones vinculadas al desorden y mejorar el contraste de la imagen del frente de onda, y su aprovechamiento.
Además, es posible determinar una velocidad del sonido óptima del medio (realista para el medio en su conjunto) calculando una velocidad del sonido integrada como se describió anteriormente, y tomando como combinación lineal del conjunto de imágenes del frente de onda, un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a transductores virtuales de entrada (TV<in>) elegidos que cubren sustancialmente el conjunto de una zona de interés del medio. En concreto, Estos transductores virtuales de entrada elegidos pueden distribuirse regularmente por toda la zona de interés del medio, con un espaciamiento predeterminado. Por ejemplo, estos transductores virtuales de entrada elegidos pueden representar el 20 % o más del número de transductores virtuales de entrada utilizados, por ejemplo, para construir una imagen ecográfica del medio que cubre la zona a estudiar.
Cabe señalar que las distancias o posiciones en profundidad Az<(0)>(r<¡n>)o Az<(0)>(r<¡n,ref>) pueden interpretarse como un error de enfoque en la salida debido a aberraciones experimentadas durante la etapa de retropropagación de los ecos provenientes de las posiciones espacialesr<¡n>or<¡n,ref>. La medición de la velocidad del sonido integrada también se puede determinar investigando las aberraciones experimentadas por los frentes de onda en el camino de ida. Esta medición se describe invirtiendo las denominaciones "in" y "out" en las ecuaciones anteriores al intercambiar el papel de los transductores virtuales de entrada y de salida, para obtener otra estimación de la velocidad del sonido integrada C<(1)out>.
Además, es posible mejorar la estimación de la velocidad del sonido integrada combinando las mediciones o estimaciones de la velocidad del sonido integrada obtenidas de las aberraciones generadas en la ida y/o en la vuelta, es decir, las velocidades del sonido integradas c<(1)>)<en>y c<(1)out>.
A continuación, el procedimiento se completa con las siguientes etapas:
- el papel del transductor virtual de entrada y del transductor virtual de salida se intercambian para determinar una velocidad del sonido integrada c<(1)>(r<out>) en comparación con un transductor virtual de salida, y
- se combina la velocidad del sonido integrada c<(1)>(r<¡n>) con referencia al transductor virtual de entrada y la velocidad del sonido integrada c<(1)>(r<out>) con referencia al transductor virtual de salida para obtener una velocidad del sonido integrada mejorada.
Imágenes de velocidad del sonido integrada
El procedimiento de caracterización ultrasónica implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 se puede completar construyendo una o más imágenes de velocidad del sonido integrada, esta o estas imágenes de velocidad del sonido integrada se determinan mediante al menos un cálculo de una velocidad del sonido integrada como se ha descrito anteriormente y para una pluralidad de puntos del medio correspondientes a transductores virtuales de entrada TV<in>(primeros puntos P1) de posición espacialr<¡n>.
Lafigura 11ilustra dos ejemplos de dichas imágenes.
En el primer ejemplo correspondiente a las imágenes A1 y A2 de la figura 11, el medio es de tipo fantasma con una velocidad del sonido de referencia dada para sustancialmente c<ref>= 1542 m/s. La imagen A1 es la imagen ecográfica estándar, mientras que la imagen A2 es la imagen de velocidad del sonido integrada obtenida mediante el procedimiento anterior. Esta imagen del sonido integrada A2 permite estimar un valor medio de la velocidad del sonido en el medio de 1544 puesto con una desviación estándar de /- 3 m/s, lo cual concuerda totalmente con el valor de velocidad del sonido de referencia de este medio.
En el segundo ejemplo, correspondiente a las imágenes B1 y B2 de la figura 11, el medio es un medio estratificado con una primera capa de casi 20 mm de espesor, con una estructura fibrosa y una velocidad del sonido de sustancialmente 1570 m/s situada sobre el mismo medio de tipo fantasma que tiene una velocidad del sonido predeterminada por la construcción de sustancialmente 1542 m/s. La imagen B1 es la imagen ecográfica estándar de este medio, mientras que la imagen B2 es la imagen de velocidad del sonido integrada obtenida mediante el procedimiento divulgado anteriormente. Esta imagen del sonido integrada B2 refleja una velocidad del sonido más alta en la primera capa del orden de 1580 m/s y una velocidad del sonido más baja debajo, pero no idéntica a la de la velocidad del sonido esperada y correspondiente a la de este medio estudiado en el primer ejemplo. Este efecto se debe al hecho de que dado que la velocidad del sonido calculada mediante el método es una velocidad del sonido integrada que corresponde a una velocidad del sonido promedio o integrada en toda la trayectoria de ida y vuelta de las ondas entre los transductores 11 y el punto del medio.
Corrección de aberraciones axiales
El procedimiento y sistema para la caracterización ultrasónica de un medio según la presente divulgación e implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 también es capaz de determinar una corrección axial. El procedimiento de caracterización ultrasónica de un medio, para determinar una caracterización temporal y local de un enfoque ultrasónico con una corrección axial comprende las siguientes etapas ya explicadas para obtener una matriz de reflexión enfocada, es decir:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes US<in>en una zona de dicho medio, por medio de una red 10 de transductores 11, siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión i; y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<ui>(t) definida entre la base de emisión i en la entrada y una base de recepción u en la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>,r<out>, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida TV<out>en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada TV<in>, y
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para un transductor virtual de TV<in>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada como se ha descrito anteriormente en función de la velocidad del sonidocoen el medio,
- una etapa de determinación de una posición en profundidad Az<(0)>(r<in>) del centro del punto focal en la imagen del frente de onda.
Por "centro del punto focal en la imagen del frente de onda", se entiende, por ejemplo, la posición del máximo del punto focal en la imagen del frente de onda; es decir, la posición del píxel que tiene el mayor valor de toda la imagen del frente de onda. El centro del punto focal y la posición en profundidad se pueden encontrar/determinar según una de las técnicas ya expuestas anteriormente.
Este procedimiento comprende además una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<in>,r<out>, ót) mediante una traslación de las respuestas de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<in>,r<out>, ót) de una traslación espacial en la dirección Z de profundidad, siendo dicha traslación espacial una función de la posición de profundidad Az<(0)>(r<in>) determinada previamente.
Según una primera variante, la traslación espacial se efectúa mediante traslación espacial del componente axial del transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>(a lo largo del eje Z de profundidad) de un valor de corrección Az<corr>(r<in>) igual a 2.Az<(0)>(r<in>), para obtener la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<in>,r<out>, ót), tal que:
RFoc<(1)>(r<in>,r<out>, ót) =RFoc(r<in>,{x<out>, z<out>+ Az<corr>(r<out>)}, ót)
(Ecu.11)
Una imagen ecográfica corregida /<(1)>(r<in>) se puede construir, a continuación, a partir de la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<in>,r<out>, ót) caracterizados por r =r<in>=r<out>, y ót = 0 para obtener:
/<(1)>(r) =RFoc<(1)>(r<in>,r<out>=r<in>, ót = 0)
(Ecu.12) Recíprocamente, la traslación espacial también puede corresponder a la traslación espacial de los componentes a lo largo del eje Z de profundidad del transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>con un valor de corrección Az<corr>(r<in>) igual a 2.Az<(0)>(r<in>) para obtener la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<in>,r<out>, ót) siguiente:
RFoc<(1>>(r<¡n>,r<out>, ót) =RFoc({x<in>, z<in>+ Az<corr>(r<in>)},r<out>,ót)
(Ecu.13)
Cabe señalar que la posición en profundidad Az<(0)>se determina para cada transductor virtual de entrada TV<in>tomada en el medio y es característica de la aberración experimentada durante la trayectoria de vuelta. Al invertir la notación "in" y "out", es posible determinar la posición Az<(0)>(rout) característica de la aberración experimentada durante la trayectoria de ida, para cada transductor virtual de salida TV<out>tomado en el medio. En otras palabras, de manera más general, esta posición en profundidad depende de cada punto de posición espacialrconsiderado también se puede indicar Az<(0)>= Az<(0)>(r) conr=r¡n or=rout.
Según una segunda variante, la traslación espacial se efectúa mediante:
- cálculo de un valor de corrección Az<corr>(r) igual a Az<(1)>(r) que está determinado por la siguiente fórmula:
Az<(1)>(r) = z<(1)>(r) - z<in>
con
(Ecu. 14)
en donde se aplica esta ecuación para
r=r¡n yr=rout
z = z<in>y z = z<out>es el componente a lo largo de un eje Z de profundidad de la posición espacialr¡n del transductor virtual de entrada TV<in>o de la posición espacialrout del transductor virtual de salida TV<out>,
- cálculo de la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r¡n,rout, 5t) por traslación espacial de los componentes a lo largo del eje Z de profundidad del transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr¡n de dicho valor de corrección Az<corr>(r¡n) y el transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialrout de dicho valor de corrección Az<corr>(rout), tal que:
RFoC<(1)>(r¡n,rout, 5t) =RFoc({x<in>,z<in>+ Az<corr>(r¡n)}, {x<out>, z<out>+ Az<corr>(rout)}, 5t) Este cálculo anterior, también se puede expresar en términos de la velocidad del sonido integrada c<(1)>(r) de la siguiente fórmula:
(Ecu. 15)
en donde z<in>es el componente a lo largo de un segundo eje Z del vector de posición espacialr¡n del transductor virtual de entrada TV<in>, y
- el cálculo de traslación Az<(1)>(r) mediante:
A<z (1)>(r) = z<(1)>(r) - z<in>
con
A z(°)(r)
z(1)(r)Zin-<c>
---<^>
--<f>
—<r )>
= Z¡, 1
(Ecu. 16)
Según modificaciones de las dos variantes anteriores, se pueden implementar las traslaciones mediante un cálculo de la transformada de Fourier espacial, desplazamiento de fase mediante una rampa de fase cuya pendiente depende del valor de corrección, y después transformada de Fourier espacial inversa. Esta implementación tiene el interés de permitir combinar la traslación y la interpolación para nuevas coordenadas espaciales.
Como ejemplo, el procedimiento así implementado efectúa:
- una etapa de determinación de una matriz frecuencial espacialRFreq<z>(r¡n, x<out>, k<zout>, ót) que es una transformada de Fourier espacial según una dirección de profundidad de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r¡n, rout, ót), según la ecuación:
RFreqz(r¡n,x<out>,kz,out, ót) =TFzout[RFoc(r¡n,rout, ót)]
(Ecu. 17)
en donde
TF<zout>es la transformada de Fourier espacial según la dirección de profundidad Az<out>,
k<zout>es el número de onda correspondiente comprendido en el intervalo [<o r>/<C0>, 0<+>/<C0>], con las pulsaciones<o>y w<+>que son las pulsaciones límite del ancho de banda de las ondas ultrasónicas, y
X<out>es el componente transversal en la dirección del eje X, de cada transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>.
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<¡n>,r<out>,<5>t) correspondiente a la transformada de Fourier espacial inversa según la misma dirección de profundidad, del producto de la matriz frecuencial espacialRFreq<z>(r<¡n>, x<out>, k<zout>,<ó>t) mediante una rampa de fase del valor de corrección<A>z<corr>en profundidad, es decir, igual a 2.<A>z<(0)>(r<¡n>) según las variantes anteriores, y determinada para cada posición espacial del transductor virtual de entrada TV<in>, y en donde se aplica la siguiente fórmula:
RFoc<(1>>(r<¡n>,r<out>,<ó>t) =TFj^z 1¡¡ut[RFreqz(r<in>,xout, kz,out, St)e~ iW<Aw ]>
(Ecu. 18)
en donde
e<-ix>es la función exponencial compleja,
<A>z<corr>es el valor de corrección determinado por la posición en profundidad del centro del punto focal en la imagen del frente de onda.
La transformada de Fourier espacial en la dirección<A>z<out>puede explicarse, por ejemplo, mediante la siguiente fórmula de transformada de Fourier discreta espacial:
= ^ ffFoc(rin,r outJ<SOe_ife*ouí'Az°ut
Azout
(Ecu. 19)
Existen otras formulaciones de transformada de Fourier y transformada de Fourier espacial.
La transformada de Fourier espacial inversa en la dirección<A>z<out>se puede explicar entonces mediante la siguiente fórmula recíproca:
RFoc(1Hrin,rout,ót) = TFk¿ ut [RFreqz(rin, xout,
<=>^RFreqz(r ínixout,kzout,ót)e~lkzoutAZcorr e lkzoutAz°ut
kz .O U t
(Ecu. 20)
Según una tercera variante, las respuestas se trasladan axialmente mediante un cálculo o determinación de una matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc(1)(r<¡n>,r<out>, ót) con una nueva velocidad del sonidoc i (r)que reemplaza la velocidad del sonido supuestaco.
El procedimiento de esta tercera variante comprende así además las siguientes etapas para obtener una matriz de reflexión enfocada corregida axialmente:
- una etapa de cálculo de una velocidad del sonido integrada c(1)(r) a partir de la siguiente fórmula:
(Ecu. 21)
en donde<Z in>es el componente a lo largo de un segundo eje Z del vector de posición espacialr<¡n>del transductor virtual de entrada TV<in>, y
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<¡n>,r<out>, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>, obteniéndose cada una de las respuestas con una velocidad del sonido corregida dependiente del transductor virtual de entrada.
Para cada una de estas variantes, la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<¡n>,r<out>, ót) es una corrección axial de la matriz de reflexión enfocada, es decir una matriz de reflexión enfocada cuyas aberraciones axiales han sido corregidas. Gracias a esta matriz de reflexión enfocada corregida, resulta posible ventajosamente construir una imagen ecográfica con aberraciones axiales reducidas. De este modo, las distancias en la dirección axial en esta imagen ecográfica corregida son más precisas y permiten, por ejemplo, la obtención de imágenes de mejor calidad.
La matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<¡n>,r<out>,<5>t) se obtiene mediante una traslación espacial, que es una traslación de posición espacial en dirección Z del componente axial de uno o ambos transductores virtuales (TV<in>y/o TV<out>), o una traslación por cambio en la velocidad del sonido c. Estas alternativas permiten mejorar la etapa de formación de haces que es similar a un proceso de traducción de información temporal dada por las señales experimentales de la matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) (también denominadas a menudo señales de RF) a información espacial a través de la relación t = z / c. De este modo, las posiciones espaciales de los puntos de medio se corrigen axialmente en la dirección Z de profundidad, lo que permite obtener imágenes con un posicionamiento vertical más preciso.
Por ejemplo, lafigura 12ilustra este proceso. En esta figura 12, la imagen de referencia A corresponde a una imagen ecográfica obtenida con una velocidad del sonidocodeco= 1540 m/s que es la velocidad del sonido en el fantasma, pero no la que está en la capa de agua sobre el fantasma que tiene una velocidad del sonido de c<agua>= 1480 m/s. Por lo tanto, habitualmente se obtiene una imagen ecográfica A con resolución y contraste degradados debido a la heterogeneidad de los medios estudiados. Las técnicas de corrección de aberraciones conocidas permiten obtener la imagen de referencia B mejorada lateralmente y que proporciona una imagen de mejor calidad que las técnicas convencionales. Sin embargo, en esta imagen las posiciones en profundidad de los elementos reflectantes no están corregidas (véanse las flechas horizontales entre las imágenes A y B).
La imagen de referencia C corresponde a una imagen ecográfica obtenida mediante la corrección axial propuesta en el procedimiento presentado anteriormente. En esta imagen C, los elementos reflectantes están ligeramente desplazados hacia arriba (hacia la superficie externa), lo que muestra la influencia de la velocidad del sonido reducida en el agua con respecto a la del fantasma. De este modo, gracias a esta corrección axial, las posiciones axiales (en profundidad) de los puntos de la imagen están más cerca de la verdadera naturaleza del medio observado y las distancias medidas en dicha imagen están más cerca de los valores exactos.
También es posible mejorar la técnica de una u otra de las tres variantes anteriores, determinando imágenes del frente de onda mejoradas utilizando combinaciones de un conjunto de imágenes del frente de onda y determinando la velocidad del sonido tanto en la entrada como en la salida como se explicó anteriormente en la parte de determinación de la velocidad del sonido integrada, y por ejemplo mediante una técnica de descomposición en valores singulares.
La pluralidad de imágenes del frente de onda del conjunto se procesa aquí por descomposición en valores singulares para combinar varias mediciones o experimentos del desorden acústico de una región vecina a un transductor virtual de entrada, lo que permite de manera muy ventajosa mejorar el contraste de la imagen del frente de onda, y su aprovechamiento.
Imagen ecográfica corregida para corrección de aberraciones axiales
El procedimiento de caracterización ultrasónica para determinar una corrección axial e implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 puede completarse, a continuación, construyendo una o más imágenes ecográficas corregidas, siendo una imagen ecográfica corregida determinada calculando un valor de intensidad ecográfica para una pluralidad de puntos del medio, que corresponden, cada uno, a un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>de la matriz de reflexión enfocada corregidaRFoc<(1)>(r<m>,r<out>,<ó>t) e imponiendo un transductor virtual de salida TV<out>confundido con el transductor virtual de entrada TV<in>, es decirr<in>=r<out>.
Determinación de una dirección preferida de anisotropía de los dispersores del medio
El procedimiento y sistema de caracterización ultrasónica de un medio según la presente divulgación e implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 también es capaz de determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía de los dispersores en el medio.
La anisotropía del dispersor caracteriza cualquier dispersor capaz de generar ecos en una dirección preferida cuando se insonifica según una dirección incidente particular. Por lo tanto, esta anisotropía concierne a cualquier dispersor cuyas dimensiones sean superiores a la longitud de onda. En particular, en el caso de la imagenología médica, serán interesantes las fibras, paredes de órganos, instrumentos quirúrgicos tales como agujas de biopsia, ...
En este caso, el procedimiento comprende etapas similares o idénticas a las ya explicadas anteriormente, hasta:
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para un transductor virtual de TV<in>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada como se ha descrito anteriormente en función de la velocidad del sonidocoen el medio.
El procedimiento comprende además:
- una etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal en la imagen del frente de onda mediante el procesamiento de imagen de dicha imagen del frente de onda.
Por ejemplo, lafigura 13ilustra este proceso. En esta figura 13, la imagen de referencia A corresponde a una imagen ecográfica con una variación espacial de la dirección de anisotropía de los tejidos. El medio del que se obtienen imágenes en esta ecografía corresponde a un músculo de un paciente (una pantorrilla en este ejemplo) en el que se observan varias regiones con fibras inclinadas según direcciones muy diferentes. Esta aplicación a una imagen de un músculo es sólo un ejemplo de un medio anisótropo al que se puede aplicar el procedimiento. Sin embargo, una imagen ecográfica tan habitual proporciona información general distorsionada. La ecografía del estado de la técnica no permite una observación fiable de esta anisotropía, que es una característica local del medio, ya que la propagación de ondas ultrasónicas en dicho medio no es a velocidad constante ni se propaga en dirección rectilínea desde los transductores de la sonda.
Las imágenes de referencia B, C, D, y E de esta figura 13 corresponden a las imágenes del frente de onda construidas para las pequeñas regiones de la imagen ultrasónica conectadas por las flechas. Estas imágenes del frente de onda se procesan aquí mediante descomposición en valores singulares de una pluralidad de transductores virtuales en cada una de estas regiones para capturar o sondear una pluralidad de experimentos del desorden acústico de esta región y mejorar así el contraste de la imagen del frente de onda producida, y su análisis.
Todas estas imágenes del frente de onda B, C, D y E muestran un punto focal muy alargado en dirección vertical (dirección del eje Az de profundidad), pero con una inclinación diferente. Esta inclinación del punto focal en la imagen del frente de onda es información de inclinación local que está altamente correlacionada con el valor real de inclinación de las fibras musculares en la región considerada. De hecho, el eje de inclinación del punto focal es sustancialmente perpendicular a la dirección de las fibras, en concreto en el centro de la imagen, lugares donde la onda incidente tiene una dirección sustancialmente en la dirección Z de profundidad.
De este modo, el procedimiento determina la dirección preferida del punto focal en la imagen del frente de onda mediante un procesamiento de imágenes en esta imagen del frente de onda.
Según una primera variante, el procedimiento puede, por ejemplo, extraer un contorno del punto focal mediante un umbral a un nivel inferior al valor máximo en esta imagen del frente de onda, por ejemplo al 50 % o 70 % de este máximo. A partir de este contorno, se puede deducir la dirección preferida o dirección principal (la dirección de mayor dimensión para el punto focal), y la dirección secundaria (la dirección de menor dimensión). Sin embargo, son posibles otras técnicas de procesamiento de imágenes para extraer la dirección preferida del punto focal.
Según una segunda variante, el proceso puede, por ejemplo:
- transformar la imagen del frente de onda U(r<in>, Ax0ut, Az0ut) de un sistema de referencia en coordenadas cartesianas a un sistema de referencia en coordenadas polares, del tipo U(r<in>, As0ut, A0Out)
- sumar los valores de dicha imagen del frente de onda del sistema de referencia en coordenadas polares, en una pluralidad de valores de diferencias de distancia radial Asout, para obtener una función de sensibilidad angular f(r<¡n>, A0out) para una pluralidad de valores angulares A0Out,
- determinar el valor angular óptimo A0máxOut(r<¡n>) correspondiente al máximo de la función de sensibilidad angular, correspondiendo dicho valor angular óptimo A0máxOut(r<¡n>) a la dirección preferida del punto focal asociado con el transductor virtual de entrada TVin.
De este modo se tiene:
A0 out (Tin) — máx [^ASin U(Tin» ASout, A 0 out)]
A0out 11
(Ecu. 22)
Lafigura 14muestra un ejemplo de una curva de función de sensibilidad angular f(r<¡n>, A0Out) de dicha imagen del frente de onda del sistema de referencia en coordenadas polares correspondiente a la figura 13B, estando dicha función de sensibilidad angular normalizada en este ejemplo ilustrativo para tener un valor máximo igual a uno (1). Esta curva tiene un máximo hacia A0Out = - 11° que es el ángulo estimado de la dirección preferida local en el punto considerado del medio de este ejemplo.
Opcionalmente, se aplica al valor angular A0out, una corrección correspondiente al ángulo de visión del punto considerado del medio visto desde los transductores para obtener un valor angular de anisotropía Yout(r<in>), que es característico de la dirección de anisotropía de los dispersores localizada en la posición espacial del transductor virtual de entrada.
Esta estimación se efectúa aquí a partir de la correlación de las señales en la salida. Recíprocamente, se puede estimar otro valor angular de anisotropía Y<¡n>(rout), que es característico de la dirección de anisotropía de los dispersores localizada en la posición espacial del transductor virtual de salida. Ventajosamente, es posible combinar los dos valores angulares de anisotropía Y<out>(r¡n) y Y<in>(rout), para obtener una mejor caracterización local de la dirección de anisotropía del medio.
Según un ejemplo, el procedimiento puede completarse con las siguientes etapas:
- el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar una dirección preferida con respecto a un transductor virtual de salida, y
- se combina la dirección preferida con referencia al transductor virtual de entrada y la dirección preferida con referencia al transductor virtual de salida para obtener una dirección preferida mejorada.
Según otro ejemplo, el procedimiento puede completarse con las siguientes etapas:
- el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar un valor angular de anisotropía con respecto a un transductor virtual de salida. K<out>(rout), y
- se combina el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de entrada y<0ut>(r¡n) y el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de salida Y<out>(rout) para obtener un valor angular de anisotropía mejorado.
Un ejemplo de cálculo del valor angular de anisotropía se puede dar mediante la siguiente fórmula (en el primer caso del valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de entrada Y<ou>
K<out>(r¡n) — -2(A0<jJJ>jj<f>(r¡n) - 0<out>(r¡n))
(Ecu. 23)
Un cálculo de valor angular de anisotropía de este tipo proviene, por ejemplo, de cálculos explicados en el documento "Specular Beamforming", Alfonso Rodríguez-Molareset al.,publicado en IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control (Volumen: 64, Número: 9, Septiembre de 2017j.
Se añade una definición de un ángulo de visión del punto de posición espacialr¡n del transductor virtual de entrada, por ejemplo del tipo:
con
0<out>(r¡n) — atan
en donde: u^ut (r) son los valores máximo y mínimo de las posiciones espaciales de los transductores de la red. Otras fórmulas de cálculo del valor angular de anisotropía son previsibles para el experto en la materia con el fin de obtener valores más realistas del ángulo de dirección preferido.
Lafigura 15muestra una imagen ecográfica en la que se superponen líneas correspondientes a estimaciones de direcciones preferidas para un conjunto de puntos distribuidos en la imagen ecográfica. Se constata una gran coherencia entre las direcciones preferidas estimadas y las estructuras subyacentes visibles en la imagen ecográfica. Ventajosamente, el procedimiento propuesto permite estimar adecuadamente las direcciones preferidas en toda la imagen ecográfica.
La medición de esta dirección privilegiada, ángulo de inclinación del punto focal para su mayor dimensión, es un parámetro importante para mejorar la calidad de la imagen ecográfica en esta región: Su conocimiento permitirá adaptar las características de las ondas ultrasónicas incidentes US<in>; por ejemplo, eligiendo ondas planas con una inclinación específica u ondas enfocadas en un lugar específico. Esto también permite adaptar las apodizaciones elegidas en las recepciones durante la etapa de formación de haces.
La medición de esta dirección local preferida puede permitir analizar el grado de anisotropía de una región más grande, y determinar así la existencia potencial de lesiones en el tejido y localizarlas.
De este modo, el procedimiento de caracterización ultrasónica de un medio, para determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía, comprende las siguientes etapas:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes US<in>en una zona de dicho medio, por medio de una red 10 de transductores 11, siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión i; y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) definida entre la base de emisión i en la entrada y una base de recepción u en la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<out>, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida TV<out>en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada TV<in>,
- una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para el transductor virtual de entrada TV<in>y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada en función de la velocidad del sonidocoen el medio, y siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir:
- de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r<¡n>,r<out>, ót) y
- de una relación de propagación balística del tipo
ó<f>(Arout) = -<s g n>(Az<out>) ■ |Arout|/<C0>,
que permite extraer valores de la matriz de reflexión enfocada para construir la imagen del frente de onda, y en donde:
ót es el retraso adicional,
|Arout| es el módulo del vector entre el transductor virtual de entrada TV<in>y el transductor virtual de salida TV<out>, con Arout= rout -r¡n,
Az<out>es el componente a lo largo de un eje Z de profundidad del vector de posición espacial Arout,
- una etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal en la imagen del frente de onda mediante el procesamiento de imagen de dicha imagen del frente de onda.
Es posible mejorar la técnica propuesta determinando imágenes del frente de onda mejoradas utilizando combinaciones de un conjunto de imágenes del frente de onda como se explicó anteriormente en la parte de determinación de la velocidad del sonido integrada, y por ejemplo mediante una técnica de descomposición en valores singulares. En este caso, la dirección preferida obtenida a partir de una imagen del frente de onda mejorada permite caracterizar la anisotropía del medio correspondiente a una zona de coherencia elegida y se atribuye a la posición espacialr¡n,ref del transductor virtual de referencia.
La pluralidad de imágenes del frente de onda del conjunto se procesa aquí por descomposición en valores singulares para combinar varias mediciones o experimentos del desorden acústico de una región vecina a un transductor virtual de entrada, lo que permite mejorar el contraste de la imagen del frente de onda, y, de este modo, su aprovechamiento.
En el procedimiento, se pueden añadir, de este modo, las siguientes etapas:
- entre la etapa de determinación de una imagen del frente de onda y la etapa de determinación de la dirección preferida del punto focal, se efectúa una etapa de mejora de la imagen del frente de onda en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a una zona de coherencia, siendo cada imagen del frente de onda tomada entre un transductor virtual de entrada (TV<in>) elegido de posición espacialr¡n diferente, y transductores de salida virtuales (TV<out>) de posición espacialrout tales querout = Aroutr¡n, con Arout siendo predefinidos e idénticos para todas las imágenes del frente de onda del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí, para obtener una imagen del frente de onda mejorada asociada con un transductor virtual de entrada de referencia (TV<i n f>siendo este transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>característico de los transductores virtuales de entrada de todas las imágenes del frente de onda utilizadas y asociadas con la zona de coherencia ZC, y
- en la etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal, se utiliza la imagen del frente de onda mejorada en lugar de la imagen del frente de onda, la dirección preferida del punto focal es relativa a la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia TV<in,ref>.
Además, al invertir el papel de los transductores virtuales de entrada TV<in>y de salida TV<out>, es decir, al invertir las notaciones "in" y "out", es posible determinar la dirección preferida A0<máx¡n>(rout) del punto focal asociado con el transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialrout. La combinación de las dos direcciones preferidas asociadas con la posición r, es decir A0<máxin>(r) y A0<máxout>(r) permite mejorar la medición de la anisotropía del dispersor.
Gracias a este cálculo de dirección preferida y de estas imágenes, se puede caracterizar la anisotropía de los dispersores del medio, o caracterizar, por ejemplo, una estructura anisótropa en el medio, tal como una aguja insertada en un tejido, o una pared que separa diferentes tejidos. Se entiende por anisotropía de dispersores, cualquier elemento más grande que la longitud de onda de las ondas ultrasónicas.
Análisis de señales temporales para puntos confocales
El procedimiento y sistema para la caracterización ultrasónica de un medio según la presente divulgación e implementado por la unidad de cálculo 42 del sistema 40 también es capaz de efectuar un análisis espectral local de un enfoque ultrasónico.
En dicho análisis, hay un particular interés en respuestas confocales, es decir, en un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<¡n>superpuesto al transductor virtual de salida TVout de posición espacialr<out>; es decir conr<in>=r<out>=r.
El retraso adicional ót se utiliza, a continuación, para sondear la respuesta temporal de los dispersores seleccionados por estos transductores virtuales.
En este caso, el procedimiento comprende las siguientes etapas ya explicados para obtener una matriz de reflexión enfocada, pero aplicadas a una misma posición espacial, es decir a una posición confocal:
- una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes US<in>en una zona de dicho medio, por medio de una red 10 de transductores 11, siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisióni; y
- una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalR<u¡>(t) definida entre la base de emisiónien la entrada y una base de recepciónuen la salida;
- una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(r, ót) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada TV<in>de posición espacialr<in>y un transductor virtual de salida TV<out>de posición espacialr<out>, superponiéndose los transductores virtuales de entrada y de salida en la misma posición espacialr,conr<in>=r<out>=r,y siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida TV<out>en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada TV<in>.
El procedimiento comprende entonces las siguientes etapas que permiten efectuar el análisis espectral local:
- una etapa de determinación de una matriz frecuencialRFreqt(r, u>) que es una transformada de Fourier temporal de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(r, ót)
R F r e q ^ r ,ou) =TFt [RFoc( r,<5t)]
(Ecu. 25)
en donde
TFt es la transformada de Fourier temporal, y
u> es una pulsación con u> = 2nf, siendo f la frecuencia correspondiente a dicha pulsación.
La transformada de Fourier temporal se puede explicar, por ejemplo, mediante la siguiente fórmula de transformada de Fourier discreta temporal:
RFreqt(r,co) =TFt [RFoc(r,<5t)] =<S>RFoc(r, St)e 5t
(Ecu. 26)
Existen otras formulaciones de transformada de Fourier y transformada de Fourier temporal, por ejemplo en forma discreta o integral, con o sin normalización, y también se pueden utilizar.
RFreqt(r, u>) contiene entonces una estimación local del espectro de ecos retrodispersados por el medio. Más precisamente, estos ecos provienen de dispersores que están incluidos en el punto focal monocromático centrado en la posición r. En ausencia de aberración, estas dimensiones están previstas, por lo tanto, por los límites de difracción definidos en la frecuencia central de los ecos retrodispersados por el medio.
Por lo tanto, este procedimiento puede completarse mediante cualquier técnica de imagenología médica basada en un análisis frecuencial de los ecos retrodispersados para mejorar la resolución espacial. Más precisamente, este proceso permite efectuar una formación de haces espacial en recepción para cada frecuencia, antes de efectuar cualquier análisis espectral. Cabe señalar que la configuración confocal permite ventajosamente limitar los fenómenos de difracción de pulsos.
Por ejemplo, este procedimiento puede completarse mediante una etapa de filtración durante la cual se efectúa una filtración en frecuencia de los elementos de la matriz frecuencialRFreqt(r, u>). En concreto, es posible realizar una filtración en frecuencia de paso bajo, paso de banda o paso alto, para extraer los componentes deseados en las respuestas de la matriz de reflexión enfocada, dependiendo de la aplicación prevista. Por ejemplo, la filtración en frecuencia posiblemente se puede adaptar para extraer componentes armónicos de una frecuencia fundamental de ondas ultrasónicas incidentes US<in>.
Por ejemplo, lafigura 16ilustra este proceso. En esta figura 16, la imagen de referencia A ilustra una imagen ecográfica de un medio que comprende burbujas. Estas burbujas son estructuras resonantes en el medio que alteran la imagen ultrasónica, porque continúan oscilando después del paso de una onda incidente. De este modo, generan ecos que llegan a los transductores de recepción con un tiempo de vuelo superior al tiempo de vuelo balístico, lo que produce artefactos en la imagen ecográfica aguas abajo de la burbuja. La imagen de referencia B en la figura 14 muestra una ampliación de la imagen A en la que se observa un eco brillante de una burbuja en la posición espacialr= [x, z] = [11, 17] mm, y de su artefacto aguas abajo situado debajo de esta posición (es decir, verticalmente en profundidad). Las imágenes de referencia C1 y C2 corresponden a la imagen de propagación respectivamente en amplitud y en parte real, para un retraso adicional ót cero.
La matriz de reflexión enfocadaRFoc(r,ót) del procedimiento permite estudiar las señales temporales de oscilación de esta burbuja. Las imágenes de referencia D-E-F en la figura 14 corresponden respectivamente a los trazados de la parte real, la amplitud y el espectro de frecuencia de la respuestaRFoc(r,ót) en el punto de posición espacial r correspondiente a la posición de esta burbuja. En las imágenes D y E, se observa un segundo eco alrededor de 1,5 ps después del eco principal centrado en 8t = 0. La imagen F muestra un primer trazado de espectro excluyendo este segundo eco y un segundo trazado de espectro con este segundo eco. Este segundo trazado de espectro incluye una frecuencia principal de alrededor de 6 MHz que corresponde a la frecuencia de la onda incidente, y otra frecuencia alrededor de 3 MHz que corresponde a la frecuencia de resonancia (oscilación) de la burbuja.
El procedimiento efectúa, de este modo, un análisis espectral que permite, por ejemplo, identificar frecuencias de resonancia de burbujas o de cualquier otra estructura resonante en el medio observado.
De este modo, es posible filtrar, por ejemplo mediante un filtro de paso de banda predeterminado, las respuestas de la matriz de reflexión enfocada, y a continuación calcular una imagen ecográfica, con ayuda de estas respuestas filtradas, que estará mejorada. El efecto de las resonancias puede entonces atenuarse o eliminarse en la imagen ecográfica.
Recíprocamente, es posible construir imágenes de frecuencia de resonancia conservando únicamente aquellas resonancias en las respuestas de la matriz de reflexión enfocada. Cabe señalar, que la frecuencia de resonancia de una burbuja está vinculada a su tamaño, y puede permitir estimar la presión local en el medio.
En un segundo ejemplo,RFreqt(r, u>) se puede utilizar para estudiar la atenuación del medio. En efecto, este fenómeno depende de la frecuencia. Como las frecuencias altas están más atenuadas que las frecuencias bajas, es posible deducir de ello un coeficiente de atenuación, por ejemplo, comparando el espectro de ecos provenientes de dos profundidades diferentes en el medio observado. Por lo tanto, la técnica descrita anteriormente que permite estimar el espectro local de ecos provenientes de una zona dada es ideal para determinar la atenuación. Para ello, el procedimiento se puede completar, por ejemplo, con una etapa de determinación de un espectro promedio a una profundidad S(z, u>) determinado por un promedio de los espectros de la matriz frecuencial a una profundidad z predeterminada en el medio.
Por ejemplo, este espectro promedio a una profundidad se calcula mediante la siguiente fórmula, que es un promedio normalizado, promedio efectuado en un conjunto de posiciones espaciales de la misma profundidad z y coordenada lateral x comprendida en un intervalo predeterminado.
Por ejemplo, laFigura 17ilustra este cálculo de espectro promedio en profundidad, mediante la construcción de una imagen del conjunto de los espectros para todas las profundidades de una imagen ecográfica. En esta figura 17, la imagen de referencia A ilustra una imagen ecográficain vivode la pantorrilla de un individuo sano y la imagen de referencia B presenta los espectros promedio en profundidades con una escala de nivel de grises. Esta imagen de espectros en profundidades muestra la atenuación más fuerte de las altas frecuencias para grandes profundidades.
Con ayuda de dicha imagen, se puede estimar la evolución de la atenuación en función de la profundidad gracias al conjunto del contenido frecuencial mediante técnicas de ajuste entre un modelo teórico y/o experimental, y dicha imagen.
En un tercer ejemplo, el procedimiento también se puede completar con una etapa de determinación del ancho espectral de correlación óu>(r) para el punto de posición espacial r, mediante un cálculo del ancho a la mitad de la autocorrelación de cada espectro de la matriz frecuencialRFreqt(r, w), es decir mediante la siguiente fórmula:
5w(r) =FW H M (-^f“ * RFreqt(r,a>)RFreqt*(r,a>+ dw) dw
“ (Ecu. 28)
en donde
FWHM es la función de cálculo del ancho a la mitad
()* es la función de conjugación compleja,
w- y w+ que son pulsaciones límite, Aw = w+ - w- es el intervalo de las pulsaciones límite, es decir, el ancho de banda considerado de las ondas ultrasónicas.
Gracias a la resolución espacial de la matrizRFreqt(r, u>), el ancho espectral de correlación óu>(r) es un valor local que puede caracterizar la naturaleza de los dispersores contenidos en el punto focal monocromático centrado en la posición espacial r. Si el punto focal contiene un único dispersor no resonante, el ancho espectral de correlación óu>(r) es del orden de magnitud del ancho de banda de la señal ultrasónica. Si el punto focal contiene un conjunto de dispersores distribuidos aleatoriamente y de la misma intensidad (régimen del moteado ultrasónico), el valor de ancho espectral de correlación óu>(r) se vuelve mucho más pequeño que el ancho de banda Aw.
El procedimiento también puede comprender una etapa de determinación de al menos una imagen de correlación espectral, obteniéndose dicha imagen de correlación espectral determinando los anchos espectrales ów(r) para una pluralidad de puntos del medio, que corresponden, cada uno, a un punto medio de posición espacial r.
Por ejemplo lafigura 18ilustra este proceso. En esta figura 18, la imagen de referencia A es una imagen ecográfica de un medio fantasma que contiene varios elementos diferentes: objetivos puntuales y un cilindro ecógeno. La imagen de referencia B correspondiente es la imagen de correlación espectral de la imagen ecográfica anterior y se obtiene mediante cálculo del ancho espectral de correlación óu>(r) para un conjunto de puntos en este medio. En esta imagen B, los bordes del cilindro y los objetivos puntuales tienen un ancho espectral de correlación óu>(r) más grande que el resto del medio, que está constituida por un gran número de dispersores con resolución insuficiente distribuidos aleatoriamente.
Gracias a este cálculo de ancho espectral de correlación y de estas imágenes, se puede caracterizar la naturaleza de los objetivos en el medio. Por ejemplo, es posible diferenciar entre un grano moteado brillante y un dispersor único. Por ejemplo, puede ayudar a la identificación de burbujas para imagenología de contraste, o microcalcificaciones características de la presencia de tumores, en concreto en el caso del cáncer de mama.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES 1.Procedimiento de caracterización ultrasónica de un medio,para determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía de los dispersores en el medio, comprendiendo el procedimiento: - una etapa de generación de una serie de ondas ultrasónicas incidentes (US<in>) en una zona de dicho medio, por medio de una red (10) de transductores (11), siendo dicha serie de ondas ultrasónicas incidentes una base de emisión (i); y - una etapa de generación de una matriz de reflexión experimentalRui(t) definida entre la base de emisión(i)en la entrada y una base de recepción(u)en la salida; - una etapa de determinación de una matriz de reflexión enfocadaRFoc(rin, rout, 8t) que comprende respuestas del medio entre un transductor virtual de entrada (TV<in>) de posición espacialrin y un transductor virtual de salida (TV<out>) de posición espacialrout, siendo tomadas las respuestas del transductor virtual de salida (TV<out>) en un instante de tiempo desfasado por un retraso adicional ót con respecto a un instante de tiempo de las respuestas del transductor virtual de entrada (TV<in>), - una etapa de determinación de una imagen del frente de onda para el transductor virtual de entrada (TV<in>) y para un intervalo de retraso adicional, siendo dicha imagen del frente de onda determinada en función de la velocidad del sonidocoen el medio, y siendo dicha imagen del frente de onda determinada a partir: - de la matriz de reflexión enfocadaRFoc(rin, rout, ót) y - de una relación de propagación balística del tipo óf(Arout) =-sign(Azout) ■|Arout|/c<0>, que permite extraer valores de la matriz de reflexión enfocada para construir la imagen del frente de onda, y en donde: 8t es el retraso adicional, |Arout| es el módulo del vector entre el transductor virtual de entrada (TV<in>) y el transductor virtual de salida (TV<out>), con Arout =rout -rin, Az<out>es el componente a lo largo de un eje Z de profundidad del vector de posición espacial Arout. comprendiendo dicha imagen del frente de onda un punto focal, - una etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal en la imagen del frente de onda mediante el procesamiento de imagen de dicha imagen del frente de onda, correspondiendo dicha dirección preferida a una dirección de mayor dimensión para dicho punto focal.
  2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el procesamiento de imagen comprende una extracción del contorno del punto focal, por un umbral a un nivel inferior al valor máximo en la imagen del frente de onda, sirviendo dicho contorno para determinar la dirección preferida del punto focal.
  3. 3. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde: - se transforma la imagen del frente de onda U(rin, Ax<0ut>, Az<out>) de un sistema de referencia en coordenadas cartesianas a un sistema de referencia en coordenadas polares U(rin, As<out>, A0<out>), - se suman los valores de dicha imagen del frente de onda del sistema de referencia en coordenadas polares, en una pluralidad de valores de diferencias de distancia radial As<out>para obtener una función de sensibilidad angular f(rin, A0<out>) para una pluralidad de valores angulares A0<Out>, - se determina el valor angular óptimo A<0 máxOut>(r¡n) correspondiente al máximo de la función de sensibilidad angular, correspondiendo dicho valor angular óptimo A<0 máxOut>(rm) a la dirección preferida del punto focal asociado con el transductor virtual de entrada (TV<in>).
  4. 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la dirección preferida se corrige mediante un ángulo de visión del punto de posición espacialrin del transductor virtual de entrada (TVin), visto desde la red de transductores (10).
  5. 5. Procedimiento según la reivindicación 4, en donde la dirección preferida se corrige mediante la fórmula: y'out(rin)—2(A0jJjjjf (rin) - 0out(rm)) en donde: (rin) es el valor de la dirección preferida, Sout(rin) es la corrección del ángulo de visión, Kout(rin) es el valor angular de anisotropía.
  6. 6. Procedimiento según la reivindicación 5, en donde la corrección del ángulo de visión es:
    en donde: u*ut(r) son los valores máximo y mínimo de posiciones de transductores en la red.
  7. 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde: - el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar una dirección preferida con respecto a un transductor virtual de salida, y - se combina la dirección preferida con referencia al transductor virtual de entrada y la dirección preferida con referencia al transductor virtual de salida para obtener una dirección preferida mejorada.
  8. 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 6, en donde: - el papel del o de los transductores virtuales de entrada y del o de los transductores virtuales de salida se intercambian para determinar un valor angular de anisotropía con respecto a un transductor virtual de salida. yout(rout), y - se combina el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de entrada y0ut(r¡n) y el valor angular de anisotropía con referencia al transductor virtual de salida y0ut(rout) para obtener un valor angular de anisotropía mejorado.
  9. 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, en donde: - entre la etapa de determinación de una imagen del frente de onda y la etapa de determinación de la dirección preferida del punto focal, se efectúa una etapa de mejora de la imagen del frente de onda en donde se efectúa una combinación lineal de un conjunto de imágenes del frente de onda correspondientes a una zona de coherencia, siendo cada imagen del frente de onda tomada entre un transductor virtual de entrada (TVin) elegido de posición espacialr¡n diferente, y transductores de salida virtuales (TVout) de posición espacialrout tales querout = Aroutr¡n, con Arout siendo predefinidos e idénticos para todas las imágenes del frente de onda del conjunto, y siendo los transductores virtuales de entrada elegidos cercanos entre sí, para obtener una imagen del frente de onda mejorada asociada con un transductor virtual de entrada de referencia ( T V in f siendo este transductor virtual de entrada de referencia TVin,ref característico de los transductores virtuales de entrada de todas las imágenes del frente de onda utilizadas y asociadas con la zona de coherencia ZC, y - en la etapa de determinación de una dirección preferida del punto focal, se utiliza la imagen del frente de onda mejorada en lugar de la imagen del frente de onda, la dirección preferida del punto focal es relativa a la posición espacial del transductor virtual de entrada de referencia TVin,ref.
  10. 10. Procedimiento según la reivindicación 9, en donde la combinación lineal está determinada por un cálculo de descomposición en valor singular (SVD) del conjunto de las imágenes del frente de onda para obtener un vector singular(Wi)asociado con el valor singular de descomposición en valor singular de mayor valor absoluto, siendo entonces este vector singular(Wi)la imagen del frente de onda mejorada correspondiente a dicho transductor virtual de entrada de referencia (TVin,ref) y para los mismos retrasos adicionales 5t.
  11. 11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, en donde en la etapa de determinación de la matriz de reflexión enfocada: el cálculo de las respuestas del transductor virtual de entrada (TVin) corresponde a un proceso de enfoque en la entrada a partir de la matriz de reflexión experimentalRu¡(t) que utiliza un tiempo de vuelo de ida de las ondas entre la base de emisión y el transductor virtual de entrada (TVin) para crear un punto focal de entrada en la posición espacialr¡n, el cálculo de las respuestas del transductor virtual de salida (TVout) corresponde a un proceso de enfoque en la salida a partir de la matriz de reflexión experimentalRu¡(t) que utiliza un tiempo de vuelo de vuelta de las ondas entre el transductor virtual de salida (TVout) y los transductores de la base de recepciónu,para crear un punto focal de salida en la posición espacialrout, siendo el retraso adicional 8t un retraso temporal añadido a los tiempos de vuelo de ida y vuelta durante los procesos de enfoque.
  12. 12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la matriz de reflexión enfocada se calcula mediante la siguiente fórmula: Rui(u<)Ut' i¡tl>^i n >l'out1 U0ut' *irv « ) ) l¡n u out en donde N<¡n>es el número de elementos de la base de emisión(i), N<out>es el número de elementos de la base de recepción(u)en la salida, R<ui>(t) es la matriz de reflexión experimental, en la queR<ui>(u<out>,i<in>,<T>(r<in>, r<out>,u<out>, i<in>,5t))es el elemento de la matriz de reflexión experimentalR<ui>(t) registrado por el transductor de posición espacialu<out>tras la emisión del índicei<in>en la base de emisión y en el tiempo<t ,> <t>es un tiempo que es la suma del tiempo de vuelo de ida<Tin>de la onda ultrasónica entre los transductores de la base de emisión (i) y el transductor virtual de entrada (TV<in>) de posición espacialr<in>,y del tiempo de vuelo de vuelta<Tout>de la onda ultrasónica entre el transductor de salida (TV<out>) de posición espacialr<out>y los transductores de la base de recepciónu,y del retraso adicional<ó>t, como se explica mediante la siguiente fórmula: <T>(r<in>, r<out>, u<out>, i<in>,<Ó>t) =<Tin>(r<in,>i<in>)<Tout>(r<out>, u<out>)<Ó>t
  13. 13.Sistema (40) para caracterización ultrasónica de un medio (20),para determinar localmente una dirección preferida de una anisotropía de los dispersores en el medio, comprendiendo el sistema: - una red (10) de transductores adaptados para generar una serie de ondas ultrasónicas incidentes en una zona del medio, y para registrar, en función del tiempo, las ondas ultrasónicas retrodispersadas por dicha zona; y - una unidad de cálculo (42) conectada a la red de transductores y adaptada para implementar el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores.
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